FABRICACION DE MOLDE PARA RIN DE ALUMINIO 38.1cm., POR FUNDICION A BAJA PRESION

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2 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO FABRICACION DE MOLDE PARA RIN DE ALUMINIO 38.1cm., POR FUNDICION A BAJA PRESION INTEGRANTES: CONTRERAS SANCHEZ RAMON TAPIA MARTINEZ ANGEL HORACIO VARGAS MORENO LAZARO HUGO VILLEGAS VALDES GERARDO

3 MOLDES PARA RINES AUTOMOTRICES POR FUNDICION INDICE PROLOGO I EVOLUCION DE LA RUEDA 1.1 HISTORIA DE LA RUEDA FABRICACION DE RUEDAS EN DIFERENTES MOLDES FUNCIONALIDAD DE LOS RINES DE ALUMINIO FUNDICION A BAJA PRESION 9 II TIPOS DE FUNDICION Y MOLDES 2.1 HISTORIA MODELOS CALENTAMIENTO, ENFRIAMIENTO Y SOLIDIFICACION ALEACIONES EN GENERAL PROCESO DE FUNDICION EN METALES MODELOS Y CORAZONES MOLDES Y FABRICACION DE MOLDES EQUIPO Y MECANISMOS DE MOLDEO MECANISMOS DE LA PREPARACION DE LA ARENA METODOS PARA HACER CORAZONES CALIDAD DE LA FUNDICION CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO DE PRODUCCION 57 III MATERIAL Y EQUIPO PARA LA FABRICACION DE MOLDES 3.1 MAQUINAS DE CNC CENTROS DE MAQUINADO SANDBLAST MATERIAL PARA LA FABRICACION DEL MOLDE 71 IV COSTOS 4.1 COSTO TOTAL DEL MOLDE 74 V FABRICACION 5.1 PROCEDIMIENTO 75 ANEXOS 83

4 PROLOGO Molde para rines deportivos automotrices por fundición a presión A lo largo de la historia se ha visto un gran avance en el ámbito tecnológico e industrial, en su gran mayoría por los diferentes procesos de fundición que son la base del área de manufactura moderna. La Manufactura de Procesos de Fundición, está orientada a proporcionar un desarrollo sustentable en Ingeniería Mecánica, conocimientos en los procesos de transformación de materiales, insumos y materias primas para la conformación de productos de interés industrial. Los procesos productivos requieren la aplicación de diferentes tecnologías y procesos de fabricación que constituyen lo que se denomina línea de producción. La Manufactura de Procesos de Fundición se desarrolla en el campo del proceso productivo propiamente dicho, enfatizando el conocimiento de los procesos de fabricación en función del desarrollo industrial, permitiendo al Ingeniero Mecánico analizar en diferentes situaciones a las líneas de producción, lo cual les suministra, una mayor comprensión sobre un sistema de producción de bienes y servicios. Los Procesos de Manufactura le suministra al Ingeniero Mecánico, herramientas para que planifique, dirija y controle procesos y sistemas de producción útiles a la comunidad, con el fin de optimizar el uso de recursos humanos, equipos y materiales con calidad y productividad. El siguiente proyecto presenta el proceso para optimizar la producción de rines de aluminio, en este se busca el máximo aprovechamiento de materia prima tomando en cuenta los sectores de fabricación de moldes permanentes de acero, las ligaduras impuestas por los tres objetivos de competitividad, calidad coste-tiempo son cada vez mas demandantes si tomamos en cuenta la presión que viven las empresas para proveer productos de mayor calidad, sin dejar de lado la complejidad en gran parte de los diseños, elaboramos el sistema, en el cual nos muestra las importancias ya mencionadas, tomando en cuenta el diseño del molde que presentamos como la forma mas viable de producir rines en un menor tiempo, reduciendo costos de producción lo cual nos permitirá poder ofrecer un producto confiable a las armadoras ya que se manejan estándares de calidad requeridos en dicho sector. 1

5 I. EVOLUCIÓN DE LA RUEDA 1.1 HISTORIA DE LA RUEDA 12 La rueda forma parte del conjunto de elementos de máquinas, de hecho es considerada en sí misma como una máquina elemental. Tiene forma circular, y de poco grueso, proporcionalmente con el diámetro, cuya función básica es la de girar sobre un eje. Actualmente la configuración de una rueda está compuesta de: Aro o llanta, un elemento circular en el cual esta montada la llanta (Hispanoamérica), en España, la llanta es el elemento circular en el cual está montado el neumático o la cubierta... Cámara, hoy en día ni los coches ni las motos ni algunas bicis llevan, pero antaño sí. Se conoce también como neumático en ciertos países (p.ej. el Perú). Cubierta o neumático. Conocido también como llanta o goma, incluso caucho en algunos países. Un eje, que hace que toda la rueda pueda girar y tocar la superficie. Algunos historiadores dicen que fue inventada en la zona conocida como la Fértil Luna Creciente (Babilonia, Sumeria, etc), de donde se distribuyó por el Viejo Mundo de la mano de la abundancia de grandes animales de carga y tiro. Otros aseguran que fue en Mahenjo Daro, a orillas del río Indo. Entre las culturas americanas no prosperó, probablemente por la inexistencia de grandes bestias que facilitaran el uso de vehículos, y porque las civilizaciones más avanzadas no ocupaban terrenos llanos. De todos modos aparece en juguetes y pequeños artefactos. 12 La Rueda, 2

6 Algunas fuentes afirman que nació en Eslovenia, donde en el 2003 se halló una rueda que tiene entre 5100 y 5350 años Es imposible saber a partir de cuál idea surgió el primer desarrollo de la rueda, aunque es aceptable teorizar, que surgió de la observación directa y mimetismo de la naturaleza. Por ejemplo al ver cómo una piedra plana se desliza de modo dificultoso con respecto a una piedra más proporcionada en sus tres dimensiones colina abajo, o por ejemplo en las bolas de nieve, e incluso en los troncos de leño, etc... Se pierde en el tiempo el conocimiento sobre su origen, pero su valor ha sido esencial en el desarrrollo del progreso humano. Algunos autores ya con anterioridad han sugerido que la misma palabra máquina encuentra su raíz en las lenguas de los pueblos orientales más antiguos, y que de allí pasó a los idiomas mediterráneos (griego y latín) con la emigración racial de los indoeuropeos desde Asia a Europa. Entonces vendría de varkana o mankana que a su vez estarían compuestas de las voces var o man (cuyo significado sería trabajar, operar) y kara o kana (leño recto corto y de sección redonda. Otros autores, se han remontado incluso a que su origen proviene de vimana que es un aparato descrito en los relatos míticos del mahabhárata, que vuela y es tripulado por seres divinos que hacen la guerra entre sí con poderosas armas, y donde se describen con bastante detalle ruedas y otros artilugios o máquinas de ingenio. 1.2 Fabricación de ruedas en diferentes moldes A través del tiempo, la fabricación de ruedas ha ido mejorando, tanto en procesos como en materiales. Uno de los procesos empleados en la fabricación ha sido: Moldeo en arena verde. Consiste en la elaboración del molde con arena húmeda y colada directa del metal fundido. Es el método más empleado en la actualidad, con todo tipo de metales, y para piezas de tamaño pequeño y medio. No es adecuado para piezas grandes o de geometrías complejas, ni para obtener buenos acabados superficiales o tolerancias reducidas Moldeo en arena seca. Antes de la colada, el molde se seca a elevada temperatura (entre 200 y 300ºC). De este modo se incrementa la rigidez del molde, lo que permite fundir piezas de mayor tamaño, geometrías más complejas y con mayor precisión dimensional y mejor acabado superficial. 3

7 Este tipo de moldes presenta varias desventajas con respecto a los moldes permanentes, debido a que no se puede emplear en producciones en serie al presentar deficiencias en el vaciado del metal y presenta mayor porosidad en la pieza y no resiste impactos, y produce el fenómeno de cavitación Moldes de arcilla. Los moldes de arcilla se usan para trabajos grandes. Primero se construye el molde con ladrillo o grandes partes de hierro. Luego, todas estas partes se emplastecen con una capa de mortero de arcilla, la forma del molde se empieza a obtener con una terraja o esqueleto del modelo. Luego se permite que el molde se seque completamente de tal manera que pueda resistir la presión completa del metal vaciado. Estos moldes requieren de mucho tiempo para hacerse y su uso no es muy extenso. Los moldes de arcilla, al igual que los de arena no son una buena elección para una producción en serie al no resistir una producción de más de 5000 piezas. Además de que se desgastan con mayor facilidad Moldes permanentes. Como se ha visto en los apartados correspondientes a moldes desechables, hemos de fabricar por este procedimiento el molde para cada nuevo moldeo por lo que el método es lento y requiere de grandes instalaciones. Además la superficie del molde debido a su composición tiene cierta rugosidad y por tanto se producen malos acabados superficiales y poca precisión dimensional. Para paliar este problema se 6 USM, Ingeniería Industrial, Fundición 7 p.p

8 construyen los moldes permanentes los cuales permiten una mayor rapidez, trabajo en células y piezas con mejor precisión dimensional, acabado superficial y de mayor resistencia. Los moldes permanentes se pueden utilizar para realizar hasta varios miles de piezas. A partir de ese momento el molde pierde precisión y debe cambiarse. Estos moldes se construyen con acero o fundición recubiertos de material refractario por lo que se suelen utilizar para el moldeo de piezas metálicas con menor temperatura de fusión que los materiales férricos como pueden ser aluminio, aleaciones de cobre, latón, zinc, magnesio, estaño, Zamak, plomo... también se puede moldear fundición gris pero refrigerando el molde. Si se quiere fundir piezas de alto punto de fusión como el acero se utilizan moldes de grafito. El problema de este tipo de moldeo es que necesitan de orificios en el molde para la evacuación de gases y si este tema no está bien resuelto puede aparecer excesiva porosidad en las piezas. Además los moldes deben calentarse para evitar enfriamientos bruscos que puedan agrietar la pieza. El sistema de moldes utilizados son normalmente de dos mitades, ya que debe poder extraerse la pieza. El sistema de apertura y cierre de estos moldes debe ser rápido ya que los moldes no se retraen como la arena y debe abrirse el molde antes de que se enfríe la pieza para evitar agrietamientos de la pieza. Por tanto ya puede deducirse de que el tamaño de la cavidad será más parecido a la pieza final que en el caso del molde de arena. Existen dos tipos claramente diferenciados de moldeo permanente: Moldes de vaciado por gravedad o a baja presión. Moldes de inyección 5

9 1.3 Funcionalidad de rines de aluminio Rines grandes, pero con poco peso. Esta es la opción que han creado los fabricantes para que las personas puedan seguir comprando tamaños de rines que riñen con las especificaciones de su carro sin temor a que se les dañe la suspensión o que tengan que invertir grandes sumas de dinero en alinear y balancear el vehículo. Un juego completo de rines puede sobrepasar los 2 mil dólares sin llantas. Como todo en el mercado, estos rines tienen su versión más económica que obviamente no contará con las especificaciones tecnológicas de la original. En este sentido se puede conseguir un rin 17 que pese como si fuera uno de 14 ó un 26 que pese como uno de 20. En la década de los 50 se empezó a utilizar rines livianos en carros de carreras porque se buscaba que se vieran estéticos ante los ojos del público sin perder su velocidad. El problema radicaba en que su estructura de magnesio era muy frágil para el uso diario y no permitía que se realizaran muchos diseños con él. Ahora lo que han hecho los fabricantes de rines es desarrollar aleaciones de aluminio, y rines forjados que además de ser livianos son más fuertes. La medida que tiene el rin, por ejemplo 14, 15 ó 16, equivale al peso en libras. En un carro con rines muy pesados puede afectar la manera de acelerar, frenar y tomar las curvas Centradores Este es el dolor de cabeza de vendedores y compradores de rines. El comprador ya recibió sus rines ya midió los barrenos y son los que le quedan a su móviles algunas ocasiones el automóvil vibra al rodar como si hubiera un terremoto. Diferentes vehículos tienen diferentes diámetros de base en la maza para acomodar el centro del Rin, Por eso algunos fabricantes de rines los elaboran con el centro amplio para acomodarse a la mayoría de los vehículos. Para compensar la diferencia entre el ancho del centro del rin con la base de la maza, proporcionan centradores de plástico polycarbonatado Por fortuna la mayoría de los vehículos no lo requieren, pero cuando sí es así, es importante usar el centrador adecuado para evitarse problemas. Siempre especifica el modelo correcto del móvil al que le vas a comprar los rines. 6

10 A pesar de que algunas mazas son menores al diámetro del centro del rin, las tuercas pueden centrarlo, por lo que en todos los casos, el comprador debe verificar que al instalar los rines se aprieten las tuercas/birlos en el orden siguiente: La secuencia de apriete es importante para centrar de la mejor manera el rin. Deberán de apretarse los birlos/ tuercas opuestos. Se deberá usar torquímetros en sus pistolas de aire. De no disponer de torquímetros deberá evitarse usar la pistola de aire y hacerlo con llave de tuercas evitando apretar demasiado pues se puede dañar la tuerca/birlo o no podrá aflojar Establecimiento de las limitaciones Las principales limitaciones en el proyecto fabricación de rines de 15 pulgadas, tienen que ver primordialmente con sus dimensiones y por su diseño del mismo rin. Sus dimensiones, son de un diámetro un poco elevado y su fondo o ancho es también un poco grande, por lo que estas dimensiones caracterizan a este tipo de diseños de rines, como deportivos por lo que es mas común que se utilicen en automóviles deportivos o en automóviles mas comerciales que hallan sido sometidos a modificaciones y/o adaptaciones. 7

11 Por su diseño un automóvil tiene cierta distancia determinada entre el centro del eje y la carrocería, de ahi que los rines deben de estar dentro del rango de esa distancia. Los vehículos usan diferentes tipos de rines dependiendo de esa distancia. En esta distancia se debe de tomar en cuenta también el tipo de neumáticos que usara el rin y así la distancia ocupada por esté, debe ser considerada en el diámetro final para toda la rueda, ya que en el espacio donde se ubican todos los elementos de las ruedas deben ser considerados los giros a los que van a estar sujetas las ruedas de la dirección. También debe estar considerado el diámetro final de la rueda para que la distancia entre la carrocería y el pavimento no sea muy poca, y la carrocería choque contra el pavimento. Aquí cabe señalar, que el ancho del rin con el neumático también interviene en las funciones de la dirección, ya que debe ocupar el espacio suficiente sin que intervenga en las diferentes funciones de dirección. En el caso de que el tipo de rines. deportivos se vallan a utilizar en automóviles convencionales y éstos no tengan similitud entre los rines originales de los fabricantes de los automóviles, estos deben ser rediseñados para modificar y adaptar: chasis, carrocería, ejes de transmisión y en algunos casos la suspensión para que este tipo de rines cumpla con las funciones requeridas para el vehiculo por el usuario. Algunos de estos casos son: elevar el rango de la suspensión del automóvil para que de más altura ala carrocería. Hacer que los ejes de transmisión sean más largos, provocando que las ruedas salgan de rango de la carrocería y así no intervengan su función con la carrocería. Rediseñar el 8

12 chasis y adaptarlo para que las distancias entre la carrocería, rin, neumático y el pavimento no provoquen choque entre estos elementos. 1.4 FUNDICIÓN A BAJA PRESIÓN La fundición en moldes de baja presión Es un sistema de fusión que consiste en la colocación de un tallo sobre un crisol sellado, al inyectar presión al centro del crisol la única salida del metal fundido será el tallo por lo que se genera el flujo del metal por el tallo hasta que se llena la matriz y se forma la pieza. Con este procedimiento se pueden fabricar piezas hasta de 30 kg y es rentable para grandes cantidades de piezas sin grandes requerimientos de calidad. 9

13 En esta imagen podemos observar como es la máquina para la fundición a presión. 10

14 1.4.2 Moldes a baja presión En los moldes de vaciado o hueco se utilizan dos moldes normalmente de acero, fundición o grafito, que se aproximan, manual o automáticamente, generando en la unión la cavidad con la forma de la pieza y que se separan para expulsarla. El metal fundido se vierte en el interior de la cavidad por gravedad o a baja presión por efecto sifón. El resultado, son piezas con baja porosidad, buen acabado y alta exactitud dimensional. Es ideal para lotes moderados de pocos miles de piezas con forma de casco como juguetes, ornamentos, bases de lámparas... Las piezas fundidas así tienen una estructura de grano más fino, y son más resistentes que las piezas fundidas con moldes de arena, debido a que la velocidad de enfriamiento es más rápida. Además, las piezas fundidas en molde permanente poseen generalmente menores contracciones y porosidad que las piezas fundidas en arena. Sin embargo, los moldes permanentes tienen limitaciones de tamaño, y para piezas complejas puede resultar difícil o imposible. Como ventaja respecto a otro sistema de moldeo permanente es la facilidad del sistema de llenado de los moldes. El inconveniente es en el caso de baja presión es la contaminación del metal por fusión de parte del crisol y del molde. Es por ello que sólo se utiliza en aleaciones de plomo, estaño y aluminio y en casos en que las impurezas de hierro no perjudiquen al uso de la pieza. 11

15 1.4.3 Pinturas refractarias Actualmente se desarrollan y fabrican una amplia variedad de pinturas refractarias a base de agua y alcohol para satisfacer las más estrictas necesidades de la producción de piezas tanto ferrosas como no ferrosas. Este tipo de pinturas son las que permiten que la fundición no se pegue al molde, dando lugar a que al término de la solidificación pueda ser desprendida fácilmente del molde. Las pinturas pueden ser aplicadas en moldes y corazones por cualquier método de aplicación (aspersión, brocha, inmersión y vertido) ayudando a mejorar el acabado superficial de las piezas. Algunas de las pinturas son las siguientes: Pinturas a base de talco. Diluidas en agua para proteger los herramentales en la fundición de materiales no ferrosos. Pintura a base de grafito. Diluidas en agua con características conductoras y lubricantes para fundición de piezas en aluminio vaciadas en molde permanente por medio de gravedad o baja presión. Pintura a base de dióxido de titanio. Diluida en agua, para fundición de piezas en aluminio vaciadas en molde permanente por medio de inyección a presión. 12

16 II. TIPOS DE FUNDICIÓN Y MOLDES 2.1 HISTORIA La edad de los metales permitió disponer de herramientas más duraderas y efectivas que las de silex y otros materiales pétreos; hachas para talar bosques, espadas para la guerra y nuevos materiales para la construcción. El primer estadio de esta industria es en la mayor parte del planeta el calcolítico en torno al 4000 ac, se trata del trabajo del cobre, posteriormente las aleaciones del cobre y el estaño o el plomo dan lugar al bronce material menos maleable y más duro, un gran salto se da con la fundición en hornos de alta temperatura del hierro. Todos estos metales eran conocidos por el hombre pre-neolítico pero éste no conocía las técnicas para su elaboración y manipulación, que requieren altas temperaturas. El descubrimiento de la fundición de los metales tuvo un impacto muy profundo en las culturas existentes. El espació dejó de ser, definitivamente, homogéneo, y las zonas mineras comenzaron a ser más ricas que algunas otras. Hubo un interés creciente por dominarlas, incluso por la fuerza. Aunque la fundición de los metales revela un mayor dominio del medio, esto no quiere decir que los pueblos que sabían procesar el bronce tuviesen culturas más avanzadas. El periodo de transición entre el Neolítico y la Edad del Cobre se le llama Eneolítico, aunque no todos los historiadores reconocen este período. En realidad, sólo la cultura micénica fue una civilización basada en la metalurgia del bronce. Pero también es cierto que el alfabeto surgió en sociedades que dominaban la metalurgia del hierro. 13 La fundición es, por lo tanto, una industria fundamental para la construcción de máquinas y exige una amplia cultura profesional en el que se dedica a ella, pues requiere conocimientos técnicos tan diversos como son el dibujo industrial, la mecánica de los cuerpos sólidos y fluidos, la óptica, la termología, la electrotecnia, la química etc., mucha experiencia en los recursos prácticos a los que a menudo hay que recurrir, así como capacidad especial para idear y aprovechar tales recursos. La fundición además de una industria es también un arte : el moldeador, sin más ayuda que la de un modelo y algunas herramientas rudimentarias, puede producir piezas muy complejas realizando un trabajo que puede llamarse de escultor.para terminar la pieza hace falta como en todos los demás procedimientos industriales, someter las materia primas ( que en este caso es el metal en bruto fundido en lingotes y la chatarra ) y las materias auxiliares (esto es, el combustible, las arenas, los aglutinantes etc.). 13 USM Ingeniería industrial, 13

17 2.1.1 FUNDAMENTOS DE LA FUNDICIÓN DE METALES La fundición es un proceso en el cual se hace fluir metal fundido dentro la cavidad de un molde, donde solidifica y adquiere la forma del molde. Es uno de los procesos más antiguos de formado que remonta 6 mil años atrás y son muchos los factores y variables que debemos considerar para lograr una operación de fundición exitosa. 14 La fundición incluye: la fundición de lingotes y la fundición de formas. El lingote es una fundición en grande de forma simple (barras rectangulares largas), diseñada para volver a formarse en otros procesos subsiguientes como laminado o forjado. La fundición de formas involucra la producción de piezas complejas que se aproximan más a la forma final deseada del producto. Este capítulo se ocupa de estas formas de fundición más que de los lingotes. Existen diversos métodos para la fundición de formas, lo cual hace de este proceso uno de los más versátiles en manufactura. Sus posibilidades y ventajas son las siguientes: La fundición se puede usar para crear partes de compleja geometría, incluyendo formas externas e internas. Algunos procesos de fundición pueden producir partes de forma neta que no requieren operaciones subsecuentes para llenar los requisitos de la geometría y dimensiones de la parte. Se puede usar la fundición para producir partes de unos cuantos gramos hasta formas que pesan más de 100 toneladas (coronas dentales, joyería, estatuas, bloques y cabezas para motores automotrices, bases para máquinas, ruedas para ferrocarril, tubos, carcasas para bombas, etc.). El proceso de fundición puede realizarse en cualquier metal que pueda calentarse y pasar al estado líquido. Algunos métodos de fundición son altamente adaptables a la producción en masa. Se debe mencionar también las desventajas asociadas con le proceso de fundición. Estas incluyen: Las limitaciones de algunos procesos Se pueden obtener piezas con propiedades mecánicas no homogéneas Piezas con porosidad Baja precisión dimensional Acabado deficiente de la superficie Los riesgos que los trabajadores corren durante el procesamiento Problemas ambientales. Se pueden fundir todas las variedades de metales ferrosos y no ferrosos polímeros y cerámicos. En este tema revisamos los fundamentos que se aplican prácticamente a todas las operaciones de fundido; se describen los procesos de fundición individualizados, junto con los aspectos que deben considerarse en el diseño de productos de fundición. 14 Fundición de metales, 14

18 2.1.2 TECNOLOGÍA EN LA FUNDICIÓN 15 El proceso de fundiciones realiza en una fundidora. Una fundidora es una fábrica equipada para hacer moldes, fundir y manejar el metal en estado líquido, desempeñar los procesos de fundición y limpieza de las piezas terminadas. Los trabajadores que realizan estas operaciones se llaman fundidores. El primer paso que se da en el proceso de fundición es la fabricaron del molde. El molde contiene una cavidad que dará la forma geométrica de la parte a fundir. La cavidad debe diseñarse de forma y tamaño ligeramente sobredimensionados, esto permitirá la contracción del metal durante la solidificación y enfriamiento. Cada metal sufre diferente porcentajes de contracción, por tanto, la cavidad debe diseñarse para el metal particular que se va a fundir. La cavidad del molde proporciona la superficie externa de la fundición; pero además puede tener superficies internas, que se definen por medio de corazones, los cuales son formas colocadas en el interior de la cavidad del molde para formar la geometría interior de la pieza. Los moldes se hacen de varios materiales que incluyen arena, yeso, cerámica y metal. Los procesos de fundición se clasifican frecuentemente de acuerdo a los diferentes tipos de moldes. En una operación de fundición, se calienta primero el metal a una temperatura lo suficientemente alta para transformarlo completamente en líquido. Después se vierte directamente en la cavidad del molde. En un molde abierto figura 2.1(a), el metal líquido se vacía simplemente hasta llenar la cavidad abierta. En un molde cerrado figura 2.1(b) y 2.1(c) una vía de paso llamada sistema de vaciado permite el flujo del metal fundido desde fuera del molde hasta la cavidad. El molde cerrado es la forma más importante de producción en operaciones de fundición. El sistema de vaciado en un molde de fundición es el canal o red de canales por donde fluye el metal fundido hacia la cavidad desde el exterior. El sistema de vaciado, consiste típicamente en un bebedero de colada (también llamado simplemente bebedero) a través del cual entra el metal a un canal de alimentación o corredor que conduce a la cavidad principal. En la parte superior del bebedero existe frecuentemente una copa de vaciado para minimizar las salpicaduras y la turbulencia del metal que fluye en el bebedero. En el diagrama aparece como un simple embudo en forma de cono. Algunas copas de vaciado se diseñan en forma de tazón como en la figura 2.1(c) con un canal abierto que conduce al bebedero. En cualquier fundición cuya contracción sea significativa se requiere, además del sistema de vaciado, una mazarota conectada a la cavidad principal. La mazarota es una reserva en el molde que sirve como fuente de metal líquido para compensar la contracción de la fundición durante la solidificación. A fin de que la mazarota cumpla adecuadamente con su función, debe diseñarse de tal forma que solidifique después de la fundición principal. Una vez que la fundición se ha enfriado lo suficiente, se remueve del molde. Pueden necesitarse procesamientos posteriores, dependiendo del método de fundición y del metal que se usa. Entre éstos se encuentran el desbaste del metal excedente de la fundición, la limpieza de la superficie, la inspección del producto y el tratamiento térmico para mejorar sus propiedades. Además, puede requerirse maquinado para lograr tolerancias estrechas en ciertas partes de la pieza y para remover la superficie fundida y microestructura metalúrgica asociada. 15 UMSS Facultad de ciencias y tecnologías 15

19 FIGURA 2.1 Dos formas de molde: (a) molde abierto, simplemente un recipiente con la forma de la parte de fundición; (b) molde cerrado, de forma más compleja que requiere un sistema de vaciado (vía de paso) conectado con la cavidad; y c) Sección transversal de un molde en tres partes 16

20 2.2 MODELOS El modelo es una forma usada para preparar y producir la cavidad en el molde. El diseño debe ser lo más simple que sea posible para facilitar el retiro del molde. El modelo tiene en esencia la forma de la pieza a fundir con formas para bebederos, mazarotas, etc. El modelo puede estar en dos piezas una para la semicaja suprior y la otra para la semicaja inferior para facilitar la construcción de la cavidad del molde, algunas piezas pueden ser sueltas para que sean removidas por separado y evitar la destrucción del modelo o del molde. La madera es el material que generalmente se usa para fabricar los modelos ya que es sencilla de trabajar y se la encuentra fácilmente, la madera empleada deberá estar casi seca con 5 a 6 % de humedad para evitar que se tuerza o la formación de grietas lo que ocasionaría una distorsión en el molde final. Se usa el modelo en madera cuando se tiene un número discreto de piezas a fabricar, o cuando la pieza es demasiado grande lo cual facilitara el manejo de la misma. Cuando aumenta el numero de piezas es común encontrar modelos de metal hechos de aluminio o magnesio que pueden estar sueltos o empotrados en soportes para modelos, también son muy comunes los modelos de yeso ya que son fáciles de elaborar pero muy quebradizos a la hora fabricar la cavidad. El plástico también juega un papel importante en la fabricación de modelos es un intermedio entre la madera y el metal y puede producir cantidades considerables de moldes Tolerancias en el Modelo El modelo con el cual se fabrica la cavidad del molde debe ser un tanto diferente de la pieza a producir tanto en forma como en dimensiones. Estas diferencias intencionales incorporadas al modelo se llaman tolerancias del modelo. La tolerancia por contracción compensa la disminución de tamaño que experimenta la pieza al solidifican y enfriar. La tabla 2.1 (anexo) muestra valores para contracción volumétrica para distintos metales. La tolerancia de maquinado es la cantidad que compensa al material que se desperdicia en operaciones de maquinado que darán el acabado final a la pieza. 2.3 CALENTAMIENTO, ENFRIAMENTO Y SOLIDIFICACION Calentamiento y vaciado Para desarrollar la operación de fundición, el metal se calienta hasta una temperatura ligeramente mayor a su punto de fusión y después se vacía en la cavidad del molde para que se solidifique. En esta sección consideramos varios aspectos de estos dos pasos en la fundición. 17

21 Calentamiento del metal 16 Se usan varias clases de hornos, para calentar el metal a la temperatura necesaria. La energía calorífica requerida es la suma de 1) calor para elevar la temperatura hasta el punto de fusión, 2) calor de fusión para convertir el metal sólido a líquido y 3) calor para elevar al metal fundido a la temperatura de vaciado. Esto se puede expresar como: Donde: H =Calor requerido para elevar la temperatura del metal a la temperatura de fusión, J=Densidad, (Kg/m3) Cs =Calor específico del material sólido, (J/Kg ºC) Tm =Temperatura de fusión del metal, (ºC) T0 =Temperatura inicial, generalmente la ambiente, (ºC); H f =Calor de fusión, (J/Kg) Ct =Calor específico en peso del metal líquido, (J/KgºC) Tp =Temperatura de vaciado, (ºC) V =Volumen del metal que se calienta, (m3) Vaciado del metal fundido Después del calentamiento, el material está listo para vaciarse. La introducción del metal fundido en el molde y su flujo dentro del sistema de vaciado y de la cavidad es un paso crítico en el proceso. Para que este paso tenga éxito, el metal debe fluir antes de solidificarse a través de todas las regiones del molde, incluida la región más importante que es la cavidad principal. Los factores que afectan la operación de vaciado son la temperatura de vaciado, la velocidad de vaciado y la turbulencia. La temperatura de vaciado es la temperatura del metal fundido al momento de su introducción en el molde. Lo importante aquí es la diferencia entre la temperatura de vaciado y la temperatura a la que empieza la solidificación (el punto de fusión para un metal puro, o la temperatura líquida para una aleación). A esta diferencia de temperaturas se le llama algunas veces sobrecalentamiento. La velocidad de vaciado es el caudal con que se vierte el metal fundido dentro del molde. Si la velocidad es muy lenta, el metal puede enfriarse antes de llenar la cavidad. Si la velocidad de vaciado es excesiva provoca turbulencia y puede convertirse en un problema serio. La turbulencia de flujo se caracteriza por variaciones erráticas de la velocidad del fluido; cuando éste se agita, genera corrientes irregulares en lugar de fluir en forma laminar. El flujo turbulento debe evitarse durante el vaciado por varias razones. Tiende a acelerar la formación de óxidos metálicos que pueden quedar atrapados durante la solidificación, degradando así la calidad de la fundición. La turbulencia provoca una erosión excesiva del molde, que es el desgaste gradual de las superficies del molde debido al impacto del flujo de metal fundido. La erosión es especialmente seria cuando ocurre en la cavidad principal porque afecta la forma de la parte fundida. 16 UMSS Facultad de Ciencias y Tecnologías 18

22 2.3.3 Análisis ingenieril del vaciado Varias relaciones gobiernan el flujo del metal líquido a través del sistema de vaciado y dentro del molde. Una relación importante es el teorema de Bernoulli, el cual establece que la suma de las energías (altura, presión dinámica, energía cinética y fricción) en dos puntos cualquiera de un líquido que fluye es igual. Esto se puede escribir en la siguiente forma: Donde: h =Altura, (m) P =Presión en el líquido, (N/m2) ρ =Densidad, (Kg/m3) v =Velocidad de flujo en (m/seg) g =Constante de la aceleración gravitacional, (9.81 m/seg2); F =Pérdidas de carga debidas a la fricción, (metros). Los subíndices 1 y 2 indican los dos puntos cualesquiera en el flujo del líquido. La ecuación de Bernoulli se puede simplificar de varias maneras. Si ignoramos las pérdidas por fricción (de seguro, la fricción afectará el flujo del líquido a través del molde de arena) y asumimos que el sistema permanece a presión atmosférica en toda su extensión, entonces la ecuación puede reducirse a: La cual puede usarse para determinar la velocidad del metal fundido en la base del bebedero de colada. Definamos un punto (1) en la parte superior del bebedero y un punto (2) en la base. Si el punto (2) se usa como referencia, entonces la altura en ese punto es cero ( h2 =0 ) y h1 es la altura (longitud) del bebedero. Cuando se vierte el metal en la copa de vaciado y fluye hacia abajo, su velocidad inicial en la parte superior es cero ( v1 =0 ). Entonces la ecuación 1.3 se simplifica a: 19

23 que se pede resolver para la velocidad del flujo: Donde: v =Velocidad del metal líquido en la base del bebedero de colada, (m/seg); g =9.81 m/seg2 h =Altura del bebedero (m) Otra relación de importancia durante el vaciado es la ley de continuidad, la cual establece que la velocidad volumétrica del flujo permanece constante a través del líquido. La velocidad del flujo volumétrico m3/seg es igual a la velocidad multiplicada por el área de la sección transversal del flujo líquido. La ley de continuidad puede expresarse como: Donde: Q =Velocidad de flujo volumétrico, (m3/seg); v =Velocidad, (m/seg); A =Área de la sección transversal del líquido, (m2) Los subíndices se refieren a cualquiera de los dos puntos en el sistema de flujo. Entonces, un incremento en el área produce un decremento en la velocidad y viceversa. Las ecuaciones 2.4 y 2.5 indican que el bebedero debe ser ahusado. El área de la sección transversal del canal debe reducirse conforme el metal se acelera durante su descenso en el bebedero de colada; de otra manera, puede aspirar aire dentro del líquido debido al incremento de la velocidad del metal que fluye hacia la base del bebedero y conducirlo a la cavidad del molde. Para prevenir esta condición, se diseña el bebedero con un ahusamiento de manera que la velocidad volumétrica de flujo va sea misma en la parte superior y en el fondo del bebedero. Si aceptamos que el canal alimentador de la base del bebedero a la cavidad del molde sea horizontal (y por tanto que la altura sea la misma que la de la base del bebedero), la velocidad volumétrica de flujo a través del sistema de vaciado y dentro de al cavidad del molde permanece igual a va en la base. Por consiguiente, podemos estimar el tiempo requerido para llenar una cavidad de volumen V como sigue: Donde: MFT =Tiempo de llenado del molde, seg. (s); V =Volumen de la cavidad del molde, (m3); Q =Velocidad volumétrica de flujo. (m3/seg) 20

24 El tiempo de llenado del molde calculado por la ecuación 2.6 debe considerarse como tiempo mínimo, debido a que el análisis ignora las pérdidas por fricción y la posible constricción del flujo en elsistema de vaciado; por tanto, el tiempo de llenado del molde será mayor que el resultante de la ecuación Fluidez Las características del metal fundido se describen frecuentemente con el término fluidez, una medida de la capacidad del metal par llenar el molde antes de enfriar. Existen métodos normales de ensayo para valorar la fluidez, como el molde espiral de prueba que se muestra en la figura 2.2, donde la fluidez se mide por la longitud del metal solidificado en el canal espiral. A mayor longitud, mayor fluidez del metal fundido. Los factores que afectan la fluidez son la temperatura de vaciado, la composición del metal, la viscosidad del metal líquido y el calor transferido de los alrededores. Una temperatura mayor, con respecto al punto de solidificación del metal, incrementa el tiempo que el metal permanece en estado líquido permitiéndole avanzar más, antes de solidificarse. Esto tiende a agravar ciertos problemas como la formación de óxido, la porosidad gaseosa y la penetración del metal líquido en los espacios intersticiales entre los gramos de arena que componen el molde. Este último problema causa que la superficie de la fundición incorpore partículas de arena que la hacen más rugosa y abrasiva de lo normal. FIGURA 2.2 Molde espiral para ensayo de la fluidez, ésta se mide por la longitud del canal espiral lleno antes de la solidificación Solidificación y Enfriamiento Después de vaciar el metal fundido en el molde, éste se enfría y solidifica. En esta sección examinaremos los mecanismos físicos de solidificación que ocurren durante la fundición. Los aspectos asociados con la solidificación incluyen el tiempo de enfriamiento del metal, la contracción, la solidificación direccional y el diseño de las mazarotas. 21

25 Solidificación de los metales La solidificación involucra el regreso del metal fundido al estado sólido. El proceso de solidificación difiere, dependiendo de si el metal es un elemento puro o una aleación Solidificacion en metales puros Un metal puro solidifica a una temperatura constante que constituye su punto de congelación o punto de fusión. Los puntos de fusión de los metales puros son bien conocidos. El proceso ocurre en un tiempo determinado como se muestra en la figura 2.3, conocida como curva de enfriamiento. La solidificación real toma un tiempo llamado, tiempo local de solidificación, durante el cual el calor latente de fusión del metal escapa fuera del molde. El tiempo total de solidificación va desde el momento de vaciar el metal hasta su completa solidificación. Después que la fundición se ha solidificado completamente, el enfriamiento continúa a una velocidad indicada por la pendiente hacia debajo de la curva de enfriamiento. Debido a la acción refrigerante de la pared del molde, se forma una delgada película inicial de metal sólido en la pared inmediatamente después del vaciado. El espesor de esta película aumenta para formar una costra alrededor del metal fundido que va creciendo hacia el centro de la cavidad conforme progresa la solidificación. La velocidad del enfriamiento depende del calor que se transfiere en el molde y de las propiedades térmicas del metal. FIGURA 2.3 Curva de enfriamiento para un metal puro durante la fundición. Es interesante examinar la formación del grano metálico y su crecimiento durante este proceso de solidificación. El metal que forma la película inicial se ha enfriado rápidamente por la extracción de calor a través de la pared del molde. Esta acción de enfriamiento causa que los granos de la película sean finos, equiaxiales y orientados aleatoriamente. Al continuar el enfriamiento se forman más granos y el crecimiento ocurre en direcciones alejadas de la transferencia de calor. Como el calor se transfiere a través de la costra y la pared del molde, los granos crecen hacia adentro como agujas o espinas de metal sólido. Al agrandarse estas espinas se forman ramas laterales que siguen creciendo 22

26 y forman ramas adicionales en ángulos rectos con las primeras. Este tipo de crecimiento llamado crecimiento dendrítico del grano ocurre no solamente en la solidificación de los metales puros, sino también en la de las aleaciones. Estas estructuras tipo árbol se llevan a cabo en forma gradual durante el enfriamiento, al depositarse continuamente metal adicional en las dendritas hasta completar la solidificación. Los granos resultantes de este crecimiento dendrítico adoptan una orientación preferente y tienden a ser burdos y alinearse en forma de granos columnares hacia el centro de la fundición. La estructura granulada resultante se ilustra en la figura 2.4 FIGURA 2.4 Estructura cristalina característica del un metal puro, mostrando los granos, pequeños orientados aleatoriamente cerca de las paredes del molde, y los granos columnares grandes orientados hacia el centro de la fundición FIGURA 2.5 (a) Diagrama de fase para un sistema, de aleación cobre-níquel y (b) curva de enfriamiento asociada para una composición Ni-Cu 50-50% durante la fundición. 2.4 Aleaciones en general Las aleaciones solidifican generalmente en un intervalo de temperaturas en lugar de una temperatura única. El rango exacto depende de la aleación y su composición particular. Se puede explicar la solidificación de una aleación con referencia a la figura 2.5, que muestra el diagrama de fase de una aleación en particular y a la curva de enfriamiento para una composición dada. Conforme desciende la temperatura, empieza la solidificación en la temperatura que indica la línea liquidus y se completa cuando se alcanza la solidus. El inicio de la solidificación es similar a la del metal puro. Se forma una delgada película en la pared del molde debido a un alto gradiente de 23

27 temperatura en esta superficie. La solidificación continúa como para un metal puro, mediante la formación de dendritas alejadas de las paredes. Sin embargo, debido a la propagación de la temperatura entre liquidas y solidas, el crecimiento de las dendritas es tal que se forma una zona avanzada donde el metal sólido y el líquido coexisten. La porción sólida está constituida por estructuras dendríticas que se han formado lo suficiente y han atrapado en la matriz pequeñas islas de líquido. La región sólido-líquido tiene una consistencia suave que da lugar a su nombre de zona blanda. Dependiendo de las condiciones del enfriamiento, la zona blanda puede ser relativamente angosta o puede ocupar la mayor parte de la fundición. Los factores que promueven la última condición son una lenta transferencia de calor fuera del metal caliente y una amplia diferencia entre líquidos y sólidos. Las islas de líquido en la matriz de dendrita se solidifican gradualmente al bajar la temperatura de la fundición hasta la temperatura sólidos que corresponde a la composición de la aleación. Otro factor que complica la solidificación de las aleaciones es la composición de las dendritas que al iniciar su formación son favorecidas por el metal que tiene el punto de fusión mayor Al continuar la solidificación las dendritas crecen y se genera un desbalance entre la composición del metal solidificado y el metal fundido remanente. Este desbalance de composición se manifiesta finalmente como segregación de elementos en las fundiciones terminadas. La segregación es de dos tipos, microscópica y macroscópica. A nivel microscópico, la composición química varía a través de cada grano individual. Esto se debe a que la espina inicial de cada dendrita tiene una proporción más alta de uno de los elementos de la aleación La dendrita crece a expensas del líquido remanente que ha sido parcialmente agotado de este primer elemento. Finalmente, el último metal que solidifica en cada grano es el que quedó atrapado en las ramas de las dendritas, cuya composición es aún más desbalanceada. El resultado es una variación en composición química dentro de cada grano de la fundición. FIGURA 2.6 Estructura cristalina característica de fundición para una aleación, mostrando la segregación de los componentes en el centro de la fundición. A nivel macroscópico, la composición química varía a través de la fundición. Como las regiones de la fundición que se solidifica primero (generalmente cerca de las paredes del molde) son más ricas en un componente que en otro, la composición de la aleación fundida remanente queda modificada cuando ocurre la solidificación en el interior. Se genera entonces, una segregación general a través de la sección transversal de la fundición, llamada algunas veces segregación de lingote como se muestra en la figura

28 2.4.1 Aleaciones eutécticas Las aleaciones eutécticas constituyen una excepción del proceso general de solidificación de las aleaciones. Una aleación eutéctica tiene una composición particular en la cual las temperaturas sólidas y líquidas son iguales. En consecuencia, la solidificación ocurre a una temperatura constante, y no en un rango de temperaturas como se describió para un metal puro, el hierro fundido (4.3%C) son ejemplos de aleaciones eutécticas que se usan en fundición Tiempo de solidificación Si la fundición es metal puro o aleación, de todos modos, su solidificación toma tiempo. El tiempo total de solidificación es el tiempo necesario para que la fundición solidifique después del vaciado. Este tiempo depende del tamaño y de la forma de la fundición expresada por una relación empírica conocida como regla de Chvorinov que establece: Donde: TST =Tiempo de solidificación total, min; V =Volumen de fundición, (m3); A =Área superficial de la fundición, (m2); n =Exponente que toma usualmente un valor de 2; Cm =Es la constante del molde. Dado que n = 2, las unidades de Cm son (min/m2), su valor depende de las condiciones particulares de la operación de fundición, entre las cuales se incluyen el material del molde (calor específico y conductividad térmica), propiedades térmicas del metal de fundición (calor de fusión, calor específico y conductividad térmica), y la temperatura relativa de vaciado con respecto al punto de fusión del metal. El valor de Cm para una operación dada se puede basar en datos experimentales de operaciones previas con el mismo material de molde, metal y temperatura de vaciado, incluso cuando la forma de la parte haya sido bastante diferente. La regla de Chvorinov indica que una fundición con una relación de volumen a área superficial se enfriará y solidificará más lentamente que otra con una relación más baja. Este principio ayuda en el diseño de la mazarota del molde. Para cumplir su función de alimentar metal fundido a al cavidad principal, el metal en la mazarota debe permanecer en fase líquida más tiempo que el de la fundición. En otras palabras, la TST para la mazarota debe exceder la TST de la fundición principal. Como la condición del molde para la mazarota y la fundición es la misma, las constantes del molde serán iguales. Si el diseño de la mazarota incluye una relación de volumen a área más grande, podemos estar más o menos seguros de que la fundición principal solidificará primero y se reducirán los efectos de la contracción. Antes de considerar el diseño de la mazarota mediante la regla de Chvorinov tomemos en cuenta el tema de la contracción, razón por la cual se necesitan las mazarotas. 25

29 2.4.3 Contracción Nuestro análisis de la solidificación ha omitido el impacto de la contracción que ocurre durante el enfriamiento y la solidificación. La contracción ocurre en tres pasos: 1) contracción líquida durante el enfriamiento anterior a la solidificación; 2) contracción durante el cambio de fase de líquido a sólido, llamada contracción de solidificación, y 3) contracción térmica de la fundición solidificada durante el enfriamiento hasta la temperatura ambiente. Los tres pasos pueden explicarse con referencia a una fundición cilíndrica hipotética hecha en un molde abierto, como se muestra en la figura 2.7. El metal fundido inmediatamente después de vaciado se muestra en la parte (0) de la serie. La contracción del metal líquido durante el enfriamiento, desde la temperatura de vaciado hasta la temperatura de solidificación, causa que la altura del líquido se reduzca desde el nivel inicial como en (1) de la Fig. La cantidad de esta concentración líquida es generalmente alrededor del 0.5%. La contracción de solidificación que se observa en la parte (2) tiene dos efectos. Primero, la contracción causa una reducción posterior en la altura de la fundición. Segundo, la cantidad de metal líquido disponible para alimentar la porción superior del centro de la fundición se restringe. Ésta es usualmente la última región en solidificar; la ausencia de metal crea un vacío en este lugar de la fundición. Esta cavidad de encogimiento es llamada por los fundidores rechupe. Una vez solidificada, la fundición experimenta una contracción posterior en altura y diámetro mientras se enfría como en (3). Esta contracción se determina por el coeficiente de expansión térmica del metal sólido, que en este caso se aplica a la inversa para determinar la contracción. 26

30 FIGURA 2.7 Contracción de una fundición cilíndrica durante la solidificación y enfriamiento: (0) niveles iniciales del metal fundido inmediatamente después del vaciado; (1) reducción del nivel causada por la contracción del líquido durante el enfriamiento; (2) reducción de la altura y formación de la bolsa de contracción causada por la contracción por solidificación; y (3) reducción posterior de la altura y diámetro debida a la contracción térmica durante el enfriado del metal sólido. Las reducciones están exageradas para mayor claridad. La Tabla 2.1, presenta algunos valores típicos de la contracción volumétrica para diferentes metales de fundición debidos a la contracción por solidificación y a la contracción sólida paso (2) y (3). La contracción por solidificación ocurre casi en todos los metales porque la fase sólida tiene una mayor densidad que la fase líquida. La transformación de fase que acompaña la solidificación causa una reducción en el volumen por unidad de peso del metal. La excepción en la tabla 2.1 es el hierro fundido con un contenido alto de carbono, cuya solidificación se complica por un período de grafitación durante las etapas finales de enfriamiento, que provoca una expansión tendiente a contrarrestar el crecimiento volumétrico asociado con el cambio de fase. TABLA 2.1 Contracción volumétrica para diferentes metales de fundición debida a la contracción por solidificación y contracción del sólido 27

31 Los modelistas toman en cuenta la contracción por solidificación para sobredimensionar las cavidades de los moldes. La cantidad que hay que aumentar a las dimensiones del molde con respecto al tamaño de la pieza final se llama tolerancia de contracción del modelo. Aunque la contracción es volumétrica, las dimensiones de la fundición se expresan linealmente. Para hacer los modelos y los moldes más grandes que la pieza, se usan reglas especiales de contracción que consideran una ligera elongación en proporción adecuada. Estas reglas varían en elongación desde menos de 3 mm a 16 mm por cada 300 mm de longitud con respecto a una regla normal, dependiendo del metal a fundir Solidificación direccional Para minimizar los efectos dañinos de la contracción es conveniente que las regiones de la fundición más distantes de la fuente de metal líquido se solidifiquen primero y que la solidificación progrese de estas regiones hacia la mazarota. En esta forma, el metal fundido continuará disponible en las mazarotas para prevenir los vacíos de contracción durante la solidificación. Se usa el término - solidificación direccional para describir este aspecto del proceso de solidificación y sus métodos de control La solidificación direccional deseada se logra aplicando la regla de Chvorinov al diseño de la fundición, a su orientación dentro del molde y al diseño del sistema de mazarotas. Por ejemplo, al localizar las secciones de la fundición con menores relaciones V/A lejos de las mazarotas la solidificación aparecerá primero en estas regiones y el suministro de metal líquido para el resto de la fundición permanecerá abierto hasta que solidifiquen las secciones más voluminosas. Otra forma de fomentar la solidificación direccional es usar enfriadores sumideros de calor internos o externos que causan un, enfriamiento rápido en ciertas regiones de la fundición, Los enfriadores internos son pequeñas partes de metal colocadas dentro de la cavidad antes del vaciado, cuyo objetivo es que el metal fundido solidifiqué primero alrededor de estas partes. El refrigerante interno debe tener una composición química igual a la del metal que se vacía. Esto se logra fabricando el enfriador del mismo metal que la fundición. FIGURA 2.8 (a) Enfriadores externos para alentar la solidificación rápida del metal fundido en una zona delgada de la fundición y (b) resultado probable si no se usan los enfriadores. 28

32 Los enfriadores externos son insertos metálicos en las paredes de la cavidad del molde que remueven el calor del metal fundido más rápidamente que la arena circundante, a fin de promover solidificación. Se usan a menudo en secciones de la fundición que son difíciles de alimentar con metal líquido, el cual encuentra así un enfriamiento rápido que lo hace solidificar en estas secciones mientras la conexión con el metal líquido está todavía abierta. La figura 2.8 ilustra una posible aplicación de refrigerantes externos y el resultado probable si no se usaran Diseño de la mazarota Tal como se describió antes, una mazarota figura 2.1(b) se usa en un molde de fundición para alimentar metal líquido al proceso durante el enfriamiento y compensar así la contracción por solidificación. La mazarota debe permanecer líquido hasta después de que la fundición solidifique. Para satisfacer este requerimiento se puede calcular el tamaño de la mazarota usando la regla de Chvorinov. La mazarota se puede diseñar en diferentes formas. El diseño mostrado en la figura 2.1 (b) es una mazarota lateral. Está anexada a un lado de la fundición por medio de un pequeño canal. Una mazarota superior se conecta en la parte superior de la superficie de la fundición como en la figura 2.1(c). Las mazarotas pueden ser abiertas o sumergidas. Una mazarota abierta está expuesta al exterior en la superficie superior de la tapa, pero tiene la desventaja de permitir que escape más calor, promoviendo una solidificación más rápida. Una mazarota sumergida está completamente encerrada dentro del molde como en la figura 2.1 (b). 2.5 Procesos de fundición en metales Los procesos de fundición del metal se dividen en dos categorías de acuerdo al tipo de moldes 1) moldes desechables y 2) moldes permanentes. En las operaciones de fundición con molde desechable, éste se destruye para remover la parte fundida, como se requiere un nuevo molde por cada nueva fundición, las velocidades de producción son limitadas, ya que se requiere mas tiempo para hacer el molde que para la fundición en si, sin embargo, para ciertas partes se pueden producir moldes y fundiciones a velocidades de 400 partes por hora o mayores. En los procesos de moldeo permanente, el molde se fabrica con metal (u otro material durable) que permite usarlos en repetidas operaciones de fundición. En consecuencia, estos procesos tienen una ventaja natural para mayores velocidades de producción Fundición centrífuga La fundición centrífuga se refiere a varios métodos de fundición caracterizados por utilizar un, molde que gira a alta velocidad para que la fuerza centrífuga distribuya el metal fundido en las regiones exteriores de la cavidad del dado. El grupo incluye: 1) fundición centrífuga real, 2) fundición semicentrífuga y 3) fundición centrifugada o centrifugado. Fundición centrífuga real En la fundición centrífuga real, el metal fundido se vacía en un molde que está girando para producir una parte tubular. Ejemplos de partes hechas por este proceso incluyen tubos, caños, manguitos y anillos. Este método se ilustra en la figura El metal fundido se vacía en el extremo de un molde rotatorio horizontal. 29

33 La rotación del molde empieza en algunos casos después del vaciado. La alta velocidad genera fuerzas centrífugas que impulsan al metal a tomar la forma de la cavidad del molde. Por tanto, la forma exterior de la fundición puede ser redonda, octagonal, hexagonal o cualquier otra. Sin embargo, la forma interior de la fundición es perfectamente redonda (al menos teóricamente), debido a la simetría radial de las fuerzas en juego. FIGURA 2.13 Disposición de la centrífuga real FIGURA 2.13 Disposición de la centrífuga real La orientación del eje de rotación del molde puede ser horizontal o vertical, pero esta última es la más común. Para que el proceso trabaje satisfactoriamente se calcula la velocidad de rotación del molde en la fundición centrifuga horizontal. La fuerza centrífuga está definida por la ecuación: 30

34 Donde: F = fuerza (N) m = masa (Kg) v = velocidad (m/s) R = radio interior del molde (m) W = mg es su peso (N) g = aceleración de la gravedad (m/s2) El factor-g GF es la relación de fuerza centrífuga dividida por el peso La velocidad v puede expresarse como 2_RN / 60 = _RN / 30, donde N velocidad rotacional rev/min. Al sustituir esta expresión en la ecuación (2.9) obtenemos Con un arreglo matemático para despejar la velocidad rotacional N y usando el diámetro D en lugar del radio, tenemos Donde: D = diámetro interior del molde (m) N= velocidad de rotación (rev/min) Si el factor-g es demasiado bajo en la fundición centrífuga, el metal líquido no quedará pegado a la pared del molde durante la mitad superior de la ruta circular sino que lloverá dentro de la cavidad. Ocurren deslizamientos entre el metal fundido y la pared del molde, lo cual significa que la velocidad rotacional del metal es menor que la del molde. Empíricamente, los valores de GF = 60 a 80 son apropiados para la fundición centrífuga horizontal, aunque esto depende hasta cierto punto del metal que se funde. En la fundición centrifuga vertical el efecto de la gravedad que actúa en el metal líquido causa que la pared de la fundición sea más gruesa en la base que en la parte superior. El perfil interior de la fundición tomará una forma parabólica. La diferencia entre el radio de la parte superior y del fondo se relaciona con la velocidad de rotación como sigue: 31

35 Donde: L = longitud vertical de la fundición (m) Rt = radio interno de la parte superior de la fundición (m) Rb = radio interior en el fondo de la fundición (m). Se puede usar la ecuación (2.12) para determinar la velocidad rotacional requerida para la fundición centrífuga vertical, dadas las especificaciones de los radios internos en la parte superior y en el fondo. De la fórmula se desprende que para igualar a Rt, y a Rb, la velocidad de rotación N tendría que ser infinita, lo cual desde luego es imposible. En la práctica es conveniente que la longitud de las partes hechas por fundición centrífuga vertical no exceda de dos veces su diámetro. Esto es satisfactorio para bujes y otras partes que tengan diámetros grandes en relación con sus longitudes, especialmente si se va a usar el maquinado para dimensionar con precisión el diámetro interior. Las fundiciones hechas por fundición centrífuga real se caracterizan por su alta densidad, especialmente en las regiones externas de la pieza, donde F es más grande. La contracción por solidificación en el exterior del tubo fundido no es de consideración, debido a que la fuerza centrífuga relocaliza continuamente el metal fundido hacia la pared del molde durante la congelación. Cualquier impureza en la fundición tiende a ubicarse en la pared interna y puede eliminarse mediante maquinado si es necesario Fundición semicentrífuga. En este método se usa la fuerza centrífuga para producir fundiciones sólidas en lugar de partes tubulares, como se muestra en la figura La velocidad de rotación se ajusta generalmente para un factor-g alrededor de 15, y los moldes se diseñan con mazarotas que alimenten metal fundido desde el centro. La densidad del metal en la fundición final es más grande en la sección externa que en el centro de rotación. El centro tiene poco material o es de poca densidad. Por lo regular el centro en este tipo de sistemas de fundición es maquinado posteriormente, excluyendo así la porción de más baja calidad. Los volantes y las poleas son ejemplos de fundiciones que pueden hacerse por este proceso. Se usan frecuentemente moldes consumibles o desechables en la fundición semicentrífuga, como sugiere nuestra ilustración del proceso. 32

36 FIGURA 2.14 Fundición semicentrífuga Fundición centrifugada Es un sistema donde por medio de un tallo se hace llegar metal fundido a racimos de cavidades colocadas simétricamente en la periferia (figura 2.15), de manera que la fuerza centrífuga distribuya la colada del metal entre estas cavidades. El proceso se usa para partes pequeñas, la simetría radial de la parte no es un requerimiento como en los otros dos métodos de fundición centrífuga. FIGURA 2.15 (a) Fundición centrifugada: la fuerza centrífuga hace que el metal fluya a las cavidades del molde lejos del eje de rotación y (b) la fundición Fundición en molde de yeso La fundición con moldes de yeso es similar a la fundición en arena, excepto que el molde está hecho de yeso (2CaSO4 H20) en lugar de arena. Se mezclan aditivos como el talco y la arena de sílice con el yeso para controlar la contracción y el tiempo de fraguado, reducir los agrietamientos e incrementar la resistencia. Para fabricar el molde, se hace una mezcla de yeso y agua, se vacía en un modelo de plástico o metal en una caja de moldeo y se deja fraguar. En este método, los modelos de madera son generalmente insatisfactorios, debido al extenso contacto con el agua del yeso. La consistencia permite a la mezcla de yeso fluir fácilmente alrededor del patrón, capturando los detalles y el acabado de la superficie. Ésta es la causa de que las fundiciones hechas en moldes de yeso sean notables por su fidelidad al patrón. 33

37 El curado del molde de yeso es una de las desventajas de este proceso, al menos para altos volúmenes de producción. El molde debe dejarse fraguar cerca de 20 minutos antes de sacar el molde y, posteriormente, debe cocerse por varias horas para remover la humedad. Aun cocido, el yeso no se desprende de todo el contenido de humedad. El problema que enfrentan los fundidores es que la resistencia del molde se pierde cuando el yeso se deshidrata y, en el caso contrario, la humedad remanente puede causar defectos en el producto de fundición, por tanto es necesario encontrar un equilibrio entre estas alternativas indeseables. Otra desventaja del molde de yeso es que no es permeable limitando el escape de los gases de la cavidad del molde. Este problema puede resolverse de varias maneras: 1) evacuar el aire de la cavidad del molde antes de vaciar; 2) batir la pasta de yeso antes de hacer el molde, de manera que el yeso fraguado contenga pequeños poros dispersados; y 3) usar composiciones especiales del molde y un tratamiento conocido como proceso Antioch. Este proceso consiste en utilizar cerca de un 50% de arena mezclada con el yeso, calentar el molde en una autoclave (estufa que usa vapor sobrecalentado a presión), y después secar. El molde resultante tiene una permeabilidad considerablemente más grande que el molde de yeso convencional. Los moldes de yeso no pueden soportar temperaturas tan elevadas como los moldes de arena. Por tanto, están limitados a fundiciones de bajo punto de fusión como aluminio, magnesio y algunas aleaciones de cobre. Su campo de aplicación incluye moldes de metal para plásticos y hule, impulsores para bombas y turbinas, y otras partes cuyas formas son relativamente intrincadas. Los tamaños de las fundiciones varían desde menos de una onza hasta varios cientos de libras; las partes que pesan menos de 20 lb son las más comunes. Las ventajas de los moldes de yeso para estas aplicaciones son su buen acabado superficial, su precisión dimensional y su capacidad para hacer fundiciones de sección transversal delgada Fundición en molde de cerámica Las fundiciones con moldes cerámicos son similares a las fundiciones con molde de yeso, el modelo se introduce varias veces en una lechada refractaria (yeso con polvo de mármol) la que cada vez que el modelo se introduce este se recubre de una capa de la mezcla, generando una cubierta en el modelo. Posteriormente el modelo se extrae y luego el molde se introduce en un horno con lo que el material refractario se endurece. Así, los moldes cerámicos pueden usarse para fundiciones de acero, hierro y otras aleaciones de alta temperatura. Sus aplicaciones (moldes y piezas relativamente intrincadas) son similares a las de los moldes de yeso excepto por los metales que se funden. Sus ventajas (buena precisión y acabado) son también similares Fundición en molde con revestimiento (modelo perdido) Es un proceso muy antiguo para la fabricación de piezas artísticas. Consiste en la creación de un modelo en cera de la pieza que se requiere, este modelo debe tener exactamente las características deseadas en la pieza a fabricar. El modelo de cera es revestido (se cubre completamente) con yeso o un material cerámico que soporte el metal fundido. Luego el conjunto se introduce a un horno, con ello el material cerámico se endurece y el modelo de cera se derrite, obteniendo así el molde. En el molde fabricado se vacía el metal fundido y se obtiene la pieza deseada. Es un proceso de fundición capaz de hacer piezas de alta precisión e intrincados detalles y se conoce también como fundición a la cera perdida, debido a que el modelo de cera se pierde en el molde antes de fundirse. Los pasos en la fundición por revestimiento se describen en la figura Como los modelos de cera se funden después que se hace el molde refractario, se debe fabricar un modelo para cada fundición. La producción de modelos se realiza mediante una operación de moldeo, que consiste en vaciar o inyectar cera caliente en un dado 34

38 maestro, diseñado con las tolerancias apropiadas para la contracción de la cera y del metal de fundición. En los casos donde la forma de la pieza es complicada, se juntan varias piezas de cera para hacer el patrón. En operaciones de alta producción se pegan varios patrones a un bebedero de colada, hecho también de cera, para formar un modelo de árbol, ésta es la forma que tomará el metal fundido. El recubrimiento con refractario (paso 3) se hace generalmente por inmersión del árbol patrón en un lodo de sílice u otro refractario de grano muy, fino (casi en forma de polvo) mezclado con yeso que sirve para unir el molde. El grano fino del material refractario provee una superficie lisa que captura los intrincados detalles del modelo de cera. El molde final (paso 4) se forma por inmersiones repetidas del árbol en el lodo refractario o por una compactación cuidadosa del refractario alrededor del árbol en un recipiente. El molde se deja secar al aire, aproximadamente ocho horas, para que endurezca el aglutinante. FIGURA 2.16 Pasos en la fundición por revestimiento. (1) se producen los patrones o modelos de cera; (2) se adhieren varios modelos a un bebedero para formar el modelo de árbol; (3) el modelo de árbol se recubre con una capa delgada de material refractario; (4) se forma el molde entero, cubriendo el árbol revestido con suficiente material para hacerlo rígido; (5) el molde se sostiene en posición invertida y se calienta para fundir la cera y dejar que escurra fuera de la cavidad; (6) el molde se precalienta a una alta temperatura para asegurar la eliminación de todos los contaminantes del molde, esto también facilita que el metal fluya dentro de la cavidad y sus detalles, el metal se vacía y solidifica; (7) el molde se rompe y se separa de la fundición terminada. Las partes se separan del bebedero de colada. Las ventajas de la fundición por revestimiento son: 1) capacidad para fundir piezas complejas e intrincadas; 2) estrecho control dimensional con posibles tolerancias de ±0.076 mm; 3) buen acabado de la superficie; 4) recuperación de la cera para reutilizarla y 5) por lo general no se requiere maquinado adicional. Éste es un proceso de forma neta, aunque relativamente costoso por 35

39 la cantidad de pasos que involucra su operación. Las partes hechas por este método son normalmente de tamaño pequeño, aunque se han fundido satisfactoriamente partes de formas complejas de hasta 34 Kg. Pueden fundirse todos los tipos metales, incluyendo aceros, aceros inoxidables y otras aleaciones de alta temperatura. Algunos ejemplos de partes fundidas por este proceso son: partes complejas de maquinaria paletas y otros componentes para motores de turbina, así como joyería y accesorios dentales. En la figura 2,17 se muestra una pieza que ilustra las características intrincadas que son posibles con la fundición por revestimiento. FIGURA 2.17 Estator de una sola pieza para compresor hecho mediante fundición por con 108 aletas aerodinámicas separadas Fundición en molde permanente La desventaja económica de cualquiera de los procesos con molde desechable es la necesidad de un nuevo molde para cada fundición. En la fundición con molde permanente, el molde se reutiliza muchas veces. En esta sección analizaremos la fundición en molde permanente, tratándola como un proceso básico del grupo de procesos que utilizan moldes reutilizables. La fundición en molde permanente usa un molde metálico construido en dos secciones que están diseñadas para cerrar y abrir con precisión y facilidad. Los moldes se hacen comúnmente de acero o hierro fundido. La cavidad junto con el sistema de vaciado se forma por maquinado en las dos mitades del molde a fin de lograr una alta precisión dimensional y un buen acabado superficial. Los metales que se funden comúnmente en molde permanente son: aluminio, magnesio, aleaciones de cobre y hierro fundido, Sin embargo, el hierro fundido requiere una alta temperatura de vaciado, 1250 ºC a 1500 ºC, lo cual acorta significativamente la vida del molde. Las temperaturas más altas de vaciado para el acero, hacen inapropiado el uso de moldes permanentes para este metal, a menos que se hagan en moldes de material refractario. En este proceso es posible usar corazones para formar las superficies interiores del producto de fundición. Los corazones pueden ser metálicos, pero su forma debe permitir la remoción de la fundición, o deben ser mecánicamente desmontables para permitir esta operación. Si la remoción del corazón metálico es difícil o imposible se pueden usar corazones de arena, en este caso el proceso de fundición es frecuentemente llamado fundición en molde semipermanente. 36

40 FIGURA 2.18 Pasos en la fundición en molde permanente: (1) el molde se precalienta y se recubre; (2) se insertan los corazones (en su caso) y se cierra el molde; (3) el metal fundido se vacía en el molde y (4) el molde se abre. La parte terminada se muestra en (5). Los pasos en el proceso de fundición con molde permanente se describen en la figura Los moldes se precalientan primero para prepararlos, y se rocía la cavidad con uno o más recubrimientos. El precalentamiento facilita el flujo del metal a través del sistema de vaciado y de la cavidad. Los recubrimientos ayudan a disipar el calor y a lubricar la superficie del molde para separar fácilmente la fundición. Tan pronto como solidifica el metal, el molde se abre y se remueve la fundición. A diferencia de, los moldes desechables, los moldes permanentes no se retraen, así que deben abrirse antes de que ocurra la contracción por enfriamiento a fin de prevenir el desarrollo de grietas en la fundición. Las ventajas de la fundición en molde permanente incluyen buen acabado de la superficie y control dimensional estrecho, como ya se mencionó. Además, la solidificación más rápida causada por el molde metálico genera una estructura de grano más fino, de esta forma pueden producirse fundiciones más resistentes. El proceso está limitado generalmente a metales de bajo punto de fusión. La manufactura de formas geométricas más simples que las fundidas en molde de arena (debido a la necesidad de abrir el molde) constituye otra limitación, además del costo. Debido al costo sustancial del molde, el proceso se adapta mejor a producciones de alto volumen que pueden automatizarse. Las partes típicas que se producen con proceso de molde permanente incluyen pistones automotrices, cuerpos de bombas y ciertas fundiciones para aviones y proyectiles. 37

41 2.5.8 Fundición hueca La fundición hueca es un proceso de molde permanente en el cual se forma un hueco al invertir el molde, después que el metal ha solidificado Parcialmente en la superficie del molde, drenando así el metal líquido del centro. La solidificación empieza en las paredes relativamente frías del molde y progresa con el tiempo hacia la parte media de la fundición (sección 2.1.3). El espesor del casco se controla por el tiempo que transcurre antes de drenar. La fundición hueca se usa para hacer estatuas, pedestales de lámparas y juguetes a partir de metales de bajo punto de fusión como plomo, zinc y estaño. En estos artículos lo importante es la apariencia exterior, pero la resistencia y la geometría interior de la fundición no son relevantes Fundición a presión La fundición a presión es un proceso que necesariamente utiliza moldes permanentes y se puede clasificar en: fundición a baja presión, fundición con molde permanente al vació y fundición en dados Fundición a baja presión En el proceso de fundición con molde permanente básico y en la fundición hueca, el flujo de metal en la cavidad del molde es causado por la gravedad. En la fundición a baja presión, el metal líquido se introduce dentro de la cavidad a una presión aproximada de 0.1 MPa, aplicada desde abajo, de manera que el metal fluye hacia arriba como sé, ilustra en la figura La ventaja de este método sobre el vaciado tradicional es que se introduce en el molde un metal limpio desde el centro del crisol, en lugar de un metal que ha sido expuesto al aire. Lo anterior reduce la porosidad producida por el gas y los defectos generados por la oxidación, y se mejoran las propiedades mecánicas. FIGURA 2.19 Fundición a baja presión. El diagrama muestra cómo se usa la presión del aire para forzar el metal fundido, dentro de la cuchara de colada, hacia la cavidad molde. La presión se mantiene hasta que solidifica la fundición. 38

42 Fundición con molde permanente al vacío La fundición con molde permanente al vació es una variante de la fundición a baja presión en la cual se usa vacío para introducir el metal fundido en la cavidad del molde. La configuración general del proceso es similar a la operación de fundición a baja presión. La diferencia es que se usa la presión reducida del vacío en el molde para atraer el metal líquido a la cavidad, en lugar de forzarlo por una presión positiva de aire desde abajo. Los beneficios de la técnica al vacío, en relación con la fundición a baja presión, son que se reduce la porosidad del aire y los efectos relacionados, obteniendo una mayor resistencia del producto de fundición La fundición en dados Es un proceso de fundición en molde permanente en el cual se inyecta el metal fundido en la cavidad del molde a alta presión. Las presiones típicas son de 7 a 350 MPa. La presión se mantiene durante la solidificación; posteriormente, el molde se abre para remover la pieza. Los moldes en la operación de fundición se llaman dados, de aquí el nombre de fundición en dados. El uso de alta presión para forzar al metal dentro de la cavidad del dado es la característica más notable que distingue a este proceso de otros en la categoría de molde permanente. Las operaciones de fundición en dados se llevan a cabo en máquinas especiales. Las máquinas modernas de fundición en dados están diseñadas para mantener un cierre preciso de las dos mitades del molde y mantenerlas cerradas, mientras el metal fundido permanece a presión dentro de la cavidad. La configuración general se muestra en la figura 2.20 FIGURA 2.20 Configuración general de una máquina de fundición en dados (cámara fría). Existen dos tipos principales de máquinas de fundición en dados: 1) de cámara caliente y 2) de cámara fría; sus diferencias radican en la forma en que se inyecta el metal a la cavidad. 39

43 FIGURA 2.21 Ciclo de la fundición en cámara caliente: (1) el metal fluye en la cámara con el dado cerrado y el émbolo levantado; (2) el émbolo fuerza al metal de la cámara a fluir hacia el dado, manteniendo la presión durante el enfriamiento y la solidificación, y (3) se levanta el émbolo, se abre el dado y se expulsa la parte solidificada. La parte terminada se muestra en (4) En las máquinas de cámara caliente El metal se funde en un recipiente adherido a la máquina y se inyecta en el dado usando un pistón de alta presión. Las presiones típicas de inyección son de (7 a 35 MPa). La fundición se resume en la figura Son velocidades características de producción de hasta 500 partes por hora. La fundición en dados con cámara caliente impone una dificultad especial en el sistema de inyección, porque gran parte de dicho sistema queda sumergido en el metal fundido. Por esa causa, las aplicaciones del proceso quedan limitadas a metales de bajo punto de fusión que no atacan químicamente al pistón y a otros componentes mecánicos. Estos metales incluyen al zinc, al estaño, al plomo y algunas veces al magnesio En las máquinas de fundición en dados con cámara fría El metal fundido procedente de un contenedor externo para colar, se vacía en una cámara sin calentar y se usa un pistón para inyectar el metal a alta presión en la cavidad del dado. Las presiones de inyección usadas en estas máquinas van típicamente (14 a 140 MPa). El ciclo de producción se explica en la figura La velocidad de ciclo no es tan rápida con respecto a las máquinas de 40

44 cámara caliente, debido a que es necesaria una cuchara de colada para vaciar el metal líquido desde una fuente externa en la cámara. Sin embargo, este proceso de fundición es una operación de alta producción. Las máquinas de cámara fría se usan típicamente para fundiciones de aluminio, latón y aleaciones de magnesio. Las aleaciones de bajo punto de fusión (zinc, estaño, plomo) pueden también fundirse en máquinas de cámara fría, pero las ventajas del proceso de cámara caliente favorecen más el uso de estos metales. FIGURA 2.22 Ciclo de la fundición en cámara fría: (1) se vacía el metal en la cámara con el dado cerrado y el pisón retraído; (2) el pisón fuerza al metal a fluir en el dado, manteniendo la presión durante el enfriamiento y la solidificación; y (3) se retrae el pisón, se abre el dado y se expulsa la fundición. El sistema de vaciado está simplificado. Los moldes que se usan en operaciones de fundición en dados se hacen generalmente con acero de herramienta y acero para moldes refractarios. El tungsteno y el molibdeno con buenas cualidades refractarias también se utilizan, especialmente en los intentos para fundir el acero y el hierro en dados. Los dados pueden tener una cavidad única o múltiple. Los dados de cavidad única se muestran en las figuras 2.21 y Se requieren pernos expulsores para remover la parte del dado cuando éste se abre, como se muestra en los diagramas. Estos pernos empujan la parte de manera que puedan removerse de la superficie del dado. También es necesario rociar lubricantes en las cavidades para prevenir el pegado. Como los materiales del dado no tienen porosidad natural y el metal fundido fluye rápidamente en el dado durante la inyección, se deben construir barrenos o vías de paso en el plano de separación de los dados para evacuar el aire y los gases de la cavidad. Aun cuando los orificios son bastante pequeños, se llenan con el metal durante la inyección, pero éste debe quitarse después. También es común la formación de rebabas en lugares donde el metal líquido a alta presión penetra entre los pequeños espacios del plano de separación o en los claros alrededor de los corazones y de los pernos expulsores. La rebaba debe recortarse de la fundición junto con el bebedero y el sistema de vaciado. 41

45 Las ventajas de la fundición en dados incluyen: 1) altas velocidades de producción; 2) son económicas para volúmenes grandes de producción; 3) son posibles tolerancias estrechas, del orden de ± mm en partes pequeñas; 4) buen acabado de la superficie; 5) son posibles secciones delgadas hasta cerca de 0.05 mm y 6) el enfriamiento rápido proporciona a la fundición granos de tamaño pequeño y buena resistencia. Las limitaciones de este proceso, además de los metales que maneja, son la restricción en la forma de las piezas. La geometría dé la parte debe ser tal que pueda removerse de la cavidad del dado Fundición en molde semipermanente Este método es similar al de fundición de piezas en molde permanente, pero la diferencia es que este proceso se emplea cuando las cavidades que se van a formar con los corazones son tan irregulares o tienen demasiadas socavaduras que los corazones metálicos resultarían demasiado costosos o difíciles de manejar; debido a que se utilizan corazones de arena en lugar de metálicos Fundición pastosa En este proceso se deja que el metal fundido se solidifique en forma parcial junto a las paredes del molde para producir una pieza fundida hueca de pared delgada en la que el sobrante del metal líquido se vierta del molde permanente Fundición en arena La fundición en arena es el proceso más utilizado, la producción por medio de este método representa la mayor parte del tonelaje total de fundición. Casi todas las aleaciones pueden fundirse en arena; de hecho, es uno de los pocos procesos que pueden usarse para metales con altas temperaturas de fusión, como son el acero, el níquel y el titanio. Su versatilidad permite fundir partes muy pequeñas o muy grandes (véase la figura 2.9) y en cantidades de producción que van de una pieza a millones de éstas. FIGURA 2.9 Fundición en arena para el cuerpo de un compresor con un peso de 680 Kg La fundición en arena consiste en vaciar el metal fundido a un molde de arena, dejarlo solidificar y romper después el molde para remover la fundición. Posteriormente la fundición pasa por un proceso de limpieza e inspección, pero en ocasiones requiere un tratamiento térmico para mejorar sus propiedades metalúrgicas. 42

46 En esta breve descripción se puede observar que la fundición en arena no solamente incluye operaciones de fundición, sino también la fabricación de modelos y manufactura de moldes. La secuencia se muestra en la figura FIGURA 2.10 Pasos en la secuencia de producción de la fundición en arena. Los pasos incluyen no solamente las operaciones de fundición si no también la manufactura del modelo y del molde. 2.6 Modelos y corazones La fundición en arena requiere un patrón o modelo al tamaño de la parte, ligeramente agrandado, tomando en consideración la contracción y las tolerancias para el maquinado de la pieza final. Los materiales que se usan para hacer estos modelos incluyen la madera, los plásticos y los metales. La madera es un material común para modelos, por la facilidad de trabajarla y darle forma. Sus desventajas son la tendencia a la torsión y al desgaste por la abrasión de la arena que se compacta a su alrededor, lo cual limita el número de veces que puede usarse. Los modelos de metal son más costosos pero duran más. Los plásticos representan un término medio entre la madera y los metales. La selección del material apropiado para patrones o modelos depende en gran parte de la cantidad total de piezas a producir. Hay varios tipos de modelos, como se ilustra en la figura El más simple está hecho de una pieza, llamado modelo sólido, que tiene la misma forma de la fundición y los ajustes en tamaño por contracción y maquinado. Su manufactura es fácil, pero la complicación surge cuando se utiliza para hacer el molde de arena. Determinar la localización del plano de separación entre las dos mitades del molde e incorporar el sistema de vaciado y el vertedero de colada para un modelo sólido, puede ser un problema que se dejará al juicio y habilidad del operario del taller de fundición. Por tanto, los modelos sólidos se usan solamente en producciones de muy baja cantidad. Los modelos divididos constan de dos piezas que separan la pieza a lo largo de un plano, éste coincide con el plano de separación del molde. Los modelos divididos son apropiados para partes de forma compleja y cantidades moderadas de producción. El plano de separación del molde queda predeterminado por las dos mitades del molde, más que por el juicio del operador. Para altos volúmenes de producción se emplean los modelos con placa de acoplamiento o los modelos de doble placa (superior e inferior). En un modelo con placa de acoplamiento, las dos piezas del modelo dividido se adhieren a los lados opuestos de una placa de madera o metal. Los agujeros de la placa permiten una alineación precisa entre la parte superior y el fondo (cope y drag) 43

47 del molde. Los modelos con doble placa de acoplamiento son similares a los patrones con una placa, excepto que las mitades del patrón dividido se pegan a placas separadas, de manera que las secciones de la parte superior e inferior del molde se puedan fabricar independientemente, en lugar de usar la misma herramienta para ambas. (a) (b) (c) FIGURA 2.11 Tipos de patrones utilizados en la fundición en arena: a) modelo sólido, b) modelo dividido, c) modelo con placa de acoplamiento Los patrones definen la forma externa de la fundición. Si posee superficies internas, se necesita un corazón para definirlas. Un corazón es un modelo de tamaño natural de las superficies interiores de la parte. El corazón se inserta en la cavidad del molde antes del vaciado, para que al fluir el metal fundido, solidifique entre la cavidad del molde y el corazón, formando así las superficies externas e internas de la fundición. El corazón se hace generalmente de arena compactada. El tamaño real del corazón debe incluir las tolerancias para contracción y maquinado lo mismo que el patrón. El corazón, dependiendo de la forma, puede o no requerir soportes que lo mantengan en posición en la cavidad del molde durante el vaciado. Estos soportes, llamados sujetadores, se hacen de un metal cuya temperatura de fusión sea mayor que la de la pieza a fundir. Por ejemplo, para fundiciones de hierro colado se usan sujetadores de acero. Los sujetadores quedan atrapados en la fundición durante el vaciado y la solidificación. En la figura 2.12 se muestra un posible arreglo del corazón usando sujetadores. La porción de los sujetadores que sobresalen de la fundición se recortan después. 44

48 (d) FIGURA 2.12 (a) corazón mantenido en su lugar dentro de la cavidad del molde por los sujetadores (b) Diseño posible del sujetador (c) Fundición con cavidad interna (d) manufactura del corazón Debido a que los modelos se emplean para dar la forma de las piezas fundidas, estas no pueden ser mejores que los modelos a partir de los cuales se hacen. Cuando se desean tolerancias precisas o piezas muy lisas y tersas, es de particular importancia diseñar, construir y acabar los modelos con todo cuidado. Los modelos tienen muchas funciones y las más importantes son: a) Dar forma a la cavidad del molde para producir las piezas fundidas. b) Efectuar correcciones según sean las características de la colada del metal. c) Producir dimensiones exactas. d) Suministrar un medio para hacer llegar el líquido al interior del molde (vaciaderos). e) Proporcionar un medio para sostenes los corazones. Las sobredimensiones que se suelen incluir en el modelo a fin de asegurar exactitud dimensional incluyen las siguientes: 45

49 1) Ahusamiento que se da a las paredes verticales de la pieza fundida y que se requiere para sacar el modelo del molde, sin dañar las paredes de éste. 2) Sobredimensión para contracción, que es una corrección para compensar la merma por solidificación del metal y su contracción durante el enfriamiento. Estas sobredimensiones varían según el tipo de metal y el tamaño de la pieza fundida, las sobredimensiones típicas para el hierro fundido son 1 8 a 1 12 pulg. /pie; para el acero, 1 8 a 1 4 pulg. /pie; y para el aluminio, 1 16 a 5 32 pulg. /pie; pero el diseñador debe consultar las referencias adecuadas o al taller de fundición. Estas sobredimensiones también incluyen una tolerancia en tamaño para el proceso, a fin de que la pieza fundida sea dimensionalmente correcta en la tabla 1.1 se presentan datos adicionales de algunos de los metales mas comunes para fundición. Tabla 1.1 Contracción lineal de piezas fundidas Acero forjado Acero pudelado --- Bismuto Bronce Estaño :64 Laminado :72 Hierro de grano fino -- 1:265 Hierro fundido :63 Latón :128 Metal para campanas - 1:55 Metal para cañones :72 Piezas fundidas de acero - 1:96 Plomo :65 Zinc, fundido :65 8 Cu + 1 Sn :134 1:50 1:92 1:624 1:13 3) Sobredimensión para acabado con máquina, que es necesaria si se van a efectuar operaciones de maquinado a fin de preparar el material para su maquinado propiamente dicho. 4) Tolerancias para deformación, que se da si una pieza fundida tiende a sufrir distorsiones, mediante la deformación intencional del modelo para compensarlas. La complejidad de los modelos puede variar según sean el tamaño y el número de piezas fundidas que se van a hacer. Los modelos sueltos son prototipos sencillos de la pieza que se va a fundir y solo se emplean cuando se necesitan unas cuantas piezas. Suelen ser de madera, paro también se pueden emplear de metal, yeso, plásticos u otros materiales. El sistema de vaciadores para alimentar la fundición se corta con la mano en la arena. Algunos modelos sueltos están divididos en dos partes para facilitar el moldeo. Los modelos con vaciaderos tienen incorporados un sistema de ellos para no tener que formarlos a mano en el molde. Los modelos con placa guía tienen las partes de las semicajas superior e inferior del modelo montadas en lados opuestos de una placa de madera o de metal y se diseñan para acelerar el proceso de moldeo. Por lo general, incluyen los sistemas de vaciaderos. Estos modelos se suelen emplear con algún tipo de maquinas para moldear y se recomiendan cuando se van a hacer muchas piezas. 46

50 2.6.1 Modelos y aparatos especiales Para piezas fundidas muy grandes, se pueden emplear modelos de esqueleto. Se pueden hacer moldes grandes simétricos, para formar el molde de arena mediante brazos que producen el contorno de la pieza fundida por el movimiento de una plantilla en torno a un eje. Los tableros seguidores se emplean para soportar modelos de configuración irregular que requieren una línea divisoria también irregular entre las semicajas superior e inferior. Se utiliza un modelo maestro como original para construir varios modelos similares que se emplearon directamente en la fundición. 2.7 Moldes y fabricación de moldes El molde es una cavidad que tiene la forma geométrica de la pieza que se va fundir. La arena de fundición es sílice (Si02) o sílice mezclada con otros minerales. Esta arena debe tener buenas propiedades refractarias, expresadas como la capacidad de resistir altas temperaturas sin fundirse o degradarse. Otras características importantes son: el tamaño del grano, la distribución de tamaños del grano en la mezcla y la forma de los granos. Los granos pequeños proporcionan mejor acabado superficial en la fundición, pero los granos grandes son más permeables, para que los gases escapen durante el vaciado. Los moldes hechos de granos irregulares tienden a ser más fuertes que los moldes de granos redondos debido al entrelazado de los granos, pero esto tiende a restringir la permeabilidad. En la fabricación del molde, los granos de arena se aglutinan por medio de una mezcla de agua y arcilla. La proporción típica (en volumen) es 90% de arena, 3% de agua y 7% de arcilla. Se pueden usar otros agentes aglutinantes en lugar de la arcilla, como resinas orgánicas (por ejemplo resinas fenólicas) y aglutinantes inorgánicos (por ejemplo, silicato y fosfato de sodio). Algunas veces se añaden a la mezcla de arena y aglutinante ciertos aditivos para mejorar las propiedades del molde como la resistencia y permeabilidad. En el método tradicional para formar la cavidad del molde se compacta la arena alrededor del modelo en la parte superior e inferior de un recipiente llamado caja de moldeo. El proceso de empaque se realiza por varios métodos. El más simple es el apisonado a mano realizado manualmente por un operario. Además, se han desarrollado varias máquinas para mecanizar el procedimiento de empacado, las cuales operan por medio de los siguientes mecanismos: 1) compactación de la arena alrededor del patrón o modelo mediante presión neumática; 2) acción de sacudimiento, dejando caer repetidamente la arena contenida en la caja junto al modelo, a fin de compactarla en su lugar; y 3) lanzamiento, haciendo que los granos de arena se impacten contra el patrón a alta velocidad. Una alternativa a las cajas tradicionales para moldes de arena es el moldeo sin caja, que consiste en el uso de una caja maestra en un sistema mecanizado de producción de moldes. Cada molde de arena se produce usando la misma caja maestra. Se estima que la producción por este método automatizado puede ascender hasta seiscientos moldes por hora. Se usan varios indicadores para determinar la calidad de la arena para el molde: 1) resistencia, capacidad del molde para mantener su forma y soportar la erosión causada por el flujo del metal líquido, depende del tamaño del grano, las cualidades adhesivas del aglutinante y otros factores; 2) permeabilidad, capacidad del molde para permitir que el aire caliente y los gases de fundición pasen 47

51 a través de los poros de la arena; 3) estabilidad térmica, capacidad de la arena en la superficie de la cavidad del molde para resistir el agrietamiento y encorvamiento en contacto con el metal fundido; 4) retractibilidad, capacidad del molde para dejar que la fundición se contraiga sin agrietarse; también se refiere a la capacidad de remover la arena de la fundición durante su limpieza; y 5) reutilización, puede reciclarse la arena del molde roto para hacer otros moldes?. Estas medidas son algunas veces incompatibles, por ejemplo, un molde con una gran resistencia tiene menos capacidad de contracción. Los moldes de arena se clasifican frecuentemente como arena verde, arena seca o de capa seca. Los moldes de arena verde se hacen de una mezcla de arena, arcilla y agua, el término "verde" se refiere al hecho de que el molde contiene humedad al momento del vaciado. Los moldes de arena verde tienen suficiente resistencia en la mayoría de sus aplicaciones, así como buena retractibilidad, permeabilidad y reutilización, también son los menos costosos. Por consiguiente, son los más ampliamente usados, aunque también tienen sus desventajas. La humedad en la arena puede causar defectos en algunas fundiciones, dependiendo del metal y de la forma geométrica de la pieza. Un molde de arena seca se fabrica con aglomerantes orgánicos en lugar de arcilla. El molde se cuece en una estufa grande a temperaturas que fluctúan entre 204 ºC y 316 ºC. El cocido en estufa refuerza el molde y endurece la superficie de la cavidad. El molde de arena seca proporciona un mejor control dimensional en la fundición que los moldes de arena verde. Sin embargo, el molde de arena seca es más costoso y la velocidad de producción es reducida debido al tiempo de secado. Sus aplicaciones se limitan generalmente a fundiciones de tamaño medio y grande y en velocidades de producción bajas. En los moldes de capa seca, la superficie de la cavidad de un molde de arena verde se seca a una profundidad entre 10 mm y 25 mm, usando sopletes, lámparas de calentamiento u otros medios, aprovechando parcialmente las ventajas del molde de arena seca. Se pueden añadir materiales adhesivos especiales a la mezcla de arena para reforzar la superficie de la cavidad. La clasificación precedente de moldes se refiere al uso de aglutinantes convencionales, ya sea agua, arcilla u otros que requieren del calentamiento para curar. Se han desarrollado también moldes aglutinados, químicamente diferentes de cualquiera de los aglutinantes tradicionales. Algunos de estos materiales aglutinantes, utilizados en sistemas que no requieren cocimiento, incluyen las resinas furánicas (que consisten en alcohol furfural, urea y formaldehído), las fenólicas y los aceites alquídicos Moldes de arena verde La mayor parte de las piezas fundidas se hacen en arena verde, es decir, arena aglutinada con arcilla o bentonita y atemperada con agua para darle resistencia. Se pueden utilizar diversos aditivos para darle propiedades especiales. Este método es adaptable para una alta producción de piezas pequeñas o medianas, porque se puede hacer la colada inmediatamente después de formar el molde y la arena usada se puede recuperar y volver a tratar después de que se ha solidificado la pieza Moldeo con corazones En este tipo se utilizan los corazones armados para construir el molde. La arena se prepara al mezclarla con aceite, formarla en cajas de corazones y hornearla. Este proceso se emplea con la forma complicada de la pieza justifica el costo adicional. 48

52 2.7.3 Moldes de proceso con dioxido de carbono Estos moldes se hacen en forma parecida a los de arena verde, pero se emplea arena aglutinada con silicato de sodio. Cuando el molde esta terminado se hace pasar dióxido de carbono por la arena para producir un molde muy duro, con muchas de las ventajas de arena seca y de corazón pero sin tener que hornear Moldeo en el piso o foso Cuando hay que producir piezas fundidas grandes, se pueden hacer discretamente sobre el piso de la fundición o formarse en fosos que sirven como cajas de moldeo. En moldeo con arcilla en una variante de este tipo de moldeo, en el cual el material compuesto por 50% de arena y 50% de arcilla (aproximadamente), se aplica con llana sobre la superficie de una obra de ladrillo y se le dan las dimensiones con modelos, brazos o plantillas Moldeo con cascaron (Proceso C) Se pueden producir piezas fundidas en arena que tengan tolerancias dimensionales precisas y acabado terso, con un proceso en el que se emplea un aglutinante de resina sintética. La mezcla de resina y arena se vierte sobre un modelo metálico precalentado, lo cual hace que la resina de la mezcla fragüe formando un cascaron delgado sobre el modelo. Cuando el cascaron llega a tener el espesor adecuado, se hace girar el modelo para quitar la arena sobrante. Luego el cascaron se cura sobre el modelo y, después, se le desprende con el uso de espigas para liberar los moldes que se han colocado adecuadamente espaciadas y que se hacen sobresalir del modelo. Las mitades correlativas del cascaron se unen con cemento o un material de respaldo adecuado y se efectúa la colada Moldes de yeso Los moldes de yeso o ligados con yeso se emplean para fundir ciertas aleaciones de aluminio o a base de cobre. La exactitud dimensional y el excelente acabado superficial hace útil este proceso para hacer moldes para neumáticos (llantas), placas de guía, etc Proceso de cera perdida Permite obtener piezas precisas fundidas de acero con alto contenido de aleación y de aleaciones no ferrosas, que es imposible forjarlas y difícil de maquinarlas. El procedimiento consiste en hacer una matriz metálica precisa dentro de la cual se funden modelos de cera o de plástico. Los modelos se montan en un bebedero y se les aplica por pulverización, con brocha o por inmersión, una pasta aguada de un agregado altamente refractario, de grano fino, y un agente aglutinante patentado que consta de silicato de etilo. Se deja que fragüe esta mezcla. Se aplica una serie de capas de pasta aguada de grano mas grueso sobre el modelo hasta que se forma un cascaron del agregado a través de él. Se dejan reposar los moldes hasta que haya fraguado el agregado y, luego, se calientan en una estufa en posición invertida para que la cera se derrita y escurra. Una vez que se ha eliminado la cera, los moldes se hornean; después se pueden soportar con arena suelta y se realiza la colada. 49

53 2.7.8 Proceso de cemento y arena Se emplea cemento Portland para aglutinar la arena. Una mezcla típica tiene 11% de cemento, 89% de arena sílice y 4.5% a 7% de agua del total de arena y cemento. Se utiliza arena nueva para revestir el molde y se respalda con arena molida a la cual se le ha vuelto a poner aglutinante. Los moldes y los corazones se deben poner a secar al aire entre 24 y 72 hrs. antes de hacer la colada. Este proceso forma una superficie dura que resiste la acción corrosiva del metal y produce piezas fundidas con buenas superficies y dimensiones exactas. Se puede aplicar para piezas ferrosas y no ferrosas. La popularidad de los moldes que no requieren cocimiento está creciendo debido a su buen control dimensional en aplicaciones de alta producción. A continuación se muestra una serie de fotografías que describen el proceso de fundición en molde de arena Llenando un molde con arena Medio molde de arena Corazón de arena Vaciando acero fundido Llenando un molde Pieza final 2.8 Equipo y mecanización del moldeo Las cajas de moldeo se pueden con arena a mano con una pala, por alimentación por gravedad desde tolvas elevadas, alimentación continua con banda transportadora desde un depósito, con arrojadores y, para los moldes grandes, mediante una grúa elevada equipada con un cucharón de quijadas. El apisonamiento a mano es el método mas sencillo para compactar la arena. Para hacerlo con más rapidez, se emplean pisones neumáticos. El método es lento, la arena se apisona por capas y es difícil obtener densidad uniforme. 50

54 Se obtienen resultados más uniformes y mayores volúmenes de producción con prensas moldeadoras. El empleo de estas maquinas accionadas a mano queda limitado a moldes pequeños y están cayendo en desuso; las máquinas neumáticas, que trabajan con aire a una presión de 80 a 100 lb. /pulg. 2, permiten aumentar el tamaño admisible de los moldes y el volumen de producción. Estas máquinas son adecuadas para moldes de baja profundidad. En las moldeadoras por percusión, el modelo se coloca sobre una plancha montada en la parte superior de un cilindro neumático. Una vez que se eleva la mesa, se abre una lumbrera de escape rápido y el pistón, la plancha y el molde caen libres contra la parte superior del cilindro o planchas de golpeo. Con este golpe, se compacta la arena. Las densidades producidas con esta maquina son máximas cerca de la línea divisoria del modelo y lo mas blando esta cerca de la parte superior de la caja. Este procedimiento se puede emplear para cualquier caja que se pueda apisonar sobre una máquina de moldeo. Su empleo principal, como unidad separada, es para trabajos grandes y medianos. Las unidades mas grandes sacudirán un peso combinado de arena, caja de moldeo y modelo de lb. Cuando se emplean máquinas moldeadoras por percusión simple para trabajos grandes, se acostumbra apisonar a mano la parte superior de la caja de moldeo con un martillo neumático. En las máquinas moldeadoras por percusión y presión, se aplican ambos procedimientos. La plancha se monta sobre dos cilindros neumáticos, uno pequeño para la percusión y uno grande para comprimir el molde. Se utilizan mucho para trabajos pequeños y medianos y con modelos de placa guía o con vaciadero. En estas maquinas se pueden incluir componentes desmoldeadores para la extracción mecánica del modelo. La lanzadora de arena es la apisonadora que tiene más aplicaciones. Consta de un impulsor montado en el extremo de un brazo con doble articulación alimentado con arena por transportadores de banda montados en el brazo. El impulsor que gira a lata velocidad lanza arena con la velocidad suficiente para que apisone por impacto en el molde. El cabezal se puede dirigir a mano hacia todas las partes de la caja en las maquinas mas grandes o con control automático en las mas pequeñas utilizadas para la producción de moldes pequeños a alta velocidad. Los vibradores se emplean en todas las maquinas extractoras del modelo a fin de liberarlo de la arena antes de extraerlo. Su empleo reduce al mínimo los daños al molde al sacar el modelo, y tiene la ventaja adicional de que se producen piezas fundidas de tamaño más uniforme de el que es posible cuando se dan golpes a mano sobre el modelo. Los vibradores suelen ser neumáticos pero también los hay eléctricos. Las cajas de moldeo, por lo general, constan de dos partes: la semicaja superior y la semicaja inferior. Cuando se utilizan más de dos secciones, las intermedias se llaman partes centrales. Las cajas de moldeo se clasifican en cajas apretadas, de charnela y corredizas. Las cajas apretadas son aquellas que se mantienen así hasta que se cuela el metal. Las cajas corredizas son de construcción maciza, con ahusamiento desde la parte superior hasta la parte el fondo en sus cuatro costados, de modo que se pueden retirar tan pronto como se cierra el molde. Las cajas corredizas y deslizantes permiten hacer cualquier número de moldes con una sola de ellas. Antes de colar en los moldes hechos con cajas corredizas, se coloca una camisa d madera o de metal para la colada alrededor del molde y un peso en la parte superior para impedir que se levante la semicaja superior. La alineación correcta de las semicajas superior e inferior en todas las cajas de moldeo se obtiene mediante pasadores y guías. Las cajas de charnela están articuladas en una esquina y tienen un mecanismo de 51

55 cierre en la esquina diagonalmente opuesta. Estas cajas se quitan tan pronto como se cierra el molde. Las cajas apretadas se hacen de cualquier tamaño y se fabrican de madera, acero laminado, acero fundido, hierro fundido, magnesio o aluminio. La madera, el aluminio y el magnesio se emplean solo para cajas pequeñas y medianas. Las cajas de charnela y corredizas se hacen con madera, aluminio o magnesio y se suelen emplear para moldes que no miden mas de 20 por 20 pulg. (500 por 500 mm). 2.9 Mecanización de la preparación de la arena Además de los diversos tipos de máquinas de moldeo en las fundiciones actuales se emplea diverso equipo para manejar la arena y las piezas fundidas. Preparación y manejo de la arena. La arena se prepara en moletas que sirven para mezclar la arena, el aglutinante y el agua. Se emplean en combinación con ellas los aereadores para aflojar la arena y facilitar su manejo para el moldeo. Los cortadores de arena se pueden utilizar en vez de las moletas para trabajar sobre una pila de arena colocada en el piso del taller de fundición. La entrega de la arena al piso de moldeo se puede hacer por medio de carretillas de volteo o de cucharón o con transportes de banda. En el piso de moldeo los moldes se pueden colocar en el suelo o se llevan con transportadores hasta la estación de colada. Después de colar, se sacan las piezas fundidas de las cajas y se les quita la arena adherida en una estación de sacudimiento, la cual puede ser un sacudidor mecánico para desprender la arena suelta de la caja y la pieza. La arena usada, a su turno, se devuelve a las tolvas de almacenamiento mediante un transportador de banda o en otra forma. Las piezas pequeñas se pueden colar con métodos de modelo en pila. En este caso, cada caja tiene una cavidad moldeada en su cara superior, que hace las funciones de semicaja inferior, y una cavidad en su cara inferior, que corresponde a la semicaja superior. Estas cajas se apilan hasta una altura conveniente y la colada se hace desde un bebedero común. Hay una enorme variedad de equipo y métodos disponible para las fundiciones, que van desde sencillos aparatos que ahorran trabajo hasta unidades por completo mecanizadas, incluso maquinas de modelo totalmente automáticas. Debido a esta amplia selección, el grado hasta el que se pueda mecanizar una fundición depende casi por completo de los factores económicos de las operaciones y no de la disponibilidad o falta de algún equipo en particular Arena para moldeo La arena para moldeo consta de granos de sílice unidos entre si con algún material aglutinante, por lo general, arcilla o bentonita. El tamaño del grano tiene gran influencia en el acabado superficial de la pieza fundida. El tamaño adecuado del grano se determina por el tamaño de la pieza fundida, la calidad de superficie requerida y la tensión superficial del metal fundido. Las arenas de aglutinación natural son mezcladas de sílice y arcilla tal como salen de los yacimientos. Pueden necesitar alguna modificación para producir alguna mezcla satisfactoria. Este tipo de arena se emplea para fundir hierro gris, hierro maleable y metales no ferrosos (excepto magnesio). 52

56 Las arenas de aglutinación sintética se producen al combinar arena de sílice sin o con arcilla y bentonita. Son más uniformes que las de aglutinación natural, pero requiere mezcla y control más cuidadosos. Este tipo de arena se emplea para fundir acero, hierro gris, hierro maleable y magnesio. Las propiedades de la arena que mas interesan a los fundidores son: permeabilidad o sea, la facilidad para dejar penetrar y expulsar el aire; resistencia a la compresión en verde, resistencia al corte en verde; deformación o sea, el movimiento de la arena con una carga dada; resistencia a la compresión en seco y resistencia mecánica en caliente, es decir, la resistencia a temperaturas altas. A menudo se efectúan varias pruebas auxiliares que incluyen el contenido de humedad, contenido de arcilla y determinación del tamaño de grano. Las arenas para revestir, para producir mejores superficies de las piezas fundidas, se utiliza para las fundiciones de hierro gris, maleable, de acero y de magnesio. Las arenas para hierro suelen contener carbón mineral, una hulla finamente pulverizada que impide la adherencia de la arena a la pieza de fundición, al producir una película de gas cuando está en contacto con el metal caliente. Las arenas de revestimiento para fundir acero contienen polvo de sílice u otros materiales altamente refractarios muy finos, para formar una superficie densa en la cual no puede penetrar el metal con facilidad. Los baños para moldes son revestimientos que se aplican, secos o húmedos, en la superficie de los moldes o los corazones para mejorar el acabado de la pieza fundida. Lo usual es aplicar los baños húmedos con brocha o por rocío y aplicar los secos por brocha o frotamiento. Se utilizan a menudo el grafito o el polvo de sílice mezclados con arcilla y agua de melaza Arenas y aglutinantes para corazones Los corazones de arena verde se hacen a partir de mezclas estándar de arena para moldeo, reforzada a veces con la adición de un aglutinante, como la dextrina, que endurece la superficie. Los corazones de este tipo son muy frágiles y se suelen hacer con un eje o alambres en el interior para facilitar su manejo. La facilidad con que se aplastan es útil para evitar desgarraduras en caliente de las piezas fundidas. Los corazones de arena seca, se hacen con una arena de sílice y un aglutinante (aceite) que se endurece por la acción del calor. La cantidad de aceite que se emplee debe de ser la mínima que produzca la resistencia necesaria del corazón. Los aglutinantes para corazones son orgánicos, como el aceite para corazones, que se destruyen con el calor o inorgánicos que no se destruyen. Aglutinantes orgánicos. El más común es el aceite para corazones. Se utiliza mucho el aceite de linaza puro como uno de los ingredientes básicos de estos aglutinantes con mezcla de aceite. Estos constan principalmente de aceite de linaza, resina y un adelgazador, como el queroseno de alta calidad. Tienen buenas propiedades humectantes, facilidad para trabajarlos y mejores características respecto a la oxidación que el aceite de linaza simple. La harina de maíz produce buena resistencia en verde y en seco, cuando se combina con aceite. Los corazones hechos con este aglutinante son de secado rápido en la estufa y se queman con rapidez y por completo en el molde. La dextrina produce una superficie dura y un centro débil, por la migración de la dextrina y el agua hacia la superficie. Cuando se emplea con aceite, produce una superficie dura y tersa pero no produce una aglutinación en verde tan buena como la harina de maíz. 53

57 Los aglutinantes comerciales a base de proteína, como la gelatina, caseína y colas, mejoran la fluidez de la arena, tiene alto poder aglutinante, son de secamiento rápido, tienen resistencia aceptable a la humedad y bajo punto de combustión y solo liberan una pequeña cantidad de gas cuando se queman. Se emplean cuando es esencial una gran facilidad de aplastamiento del corazón. Otros aglutinantes incluyen subproductos de las fabricas de papel, que absorben la humedad con facilidad, tienen alta resistencia en seco, baja resistencia en verde, alta relación de gases y alto poder aglutinante para materiales arcillosos. La brea de alquitrán de hulla y la brea de petróleo fluyen con el calor y se solidifican alrededor de los granos cuando se enfrían. Estos compuestos tienen bajas razones de absorción de humedad y se emplean mucho en los corazones grandes para fundir hierro. La resina de madera y la gomorresina, las resinas plásticas y los subproductos de la resina se emplean para producir facilidad al aplastar los corazones. Tienen que estar bien molidas. Tienden a apelmazarse en tiempo calido y se requieren grandes cantidades para obtener la resistencia deseada. Los aglutinantes inorgánicos incluyen arcilla refractaria, bentonita y oxido de hierro. También se pueden hacer corazones al mezclar arena con silicato de sodio. Una vez que se pone esta mezcla en la caja de corazones, se infliltra con CO 2, lo que hace endurecer al corazón Métodos para hacer corazones Los corazones se hacen con los métodos empleados para los moldes de arena. Además, se utilizan sopladores de corazones y máquinas de extrusión. Los sopladores para corazones obligan a la arena a entrar a la caja de corazones mediante aire comprimido a unas 100 lb. /pulg. 2. se pueden emplear para hacer todos los tipos de corazones pequeños y medianos; estos muy uniformes y se logran volúmenes de producción hasta de 200 cajas por hora por máquina. Las máquinas de alimentación por gusano se emplean en gran parte para los corazones cilíndricos simples de sección transversal uniforme. La arena para ellos se extruye a través de un troquel hacia una placa de corazones. El empleo de estas maquinas queda limitado a la producción de corazones que puedan tenerse en almacén y que se cortan a la longitud deseada después de hornearlos. Estufas para corazones. Las paredes de las estufas para corazones se construyen con capas interiores y exteriores de láminas metálicas separadas por aislamiento de lana mineral o de fibra de vidrio y con uniones interconectadas. Las cámaras de combustión están revestidas con refractarios y los gases calientes se hacen circular con ventiladores. Se diseñan para trabajar a temperaturas entre 300 y 650 º F (149 a 343 ºC). Las temperaturas aproximadas de horneado son: aglutinante de urea-formaldehído, 300 a 350 ºF (149 a 177 ºC); harina, almidón o dextrina, 350 a 375 ºF (177 a 191 ºC), con un máximo de 410 ºF (210 ºC); brea y resina, 350 a 400 ºF (177 a 205 ºC); dextrina, menos de 400 ºF (205 ºC); fenolformaldehído, 425 a 450 ºF (219 a 232 ºC); corazones aglutinados con aceite, 400 a 450 ºF (205 a 232ºC); pero no se dañaran a 500 ºF (260 ºC). 54

58 Los secadores de corazones son cajas ligeras, en esqueleto, de hierro fundido o de aluminio, cuya forma interior se adapta con exactitud a la semicaja superior del corazón. Se utilizan para soportar, durante el horneado, los corazones que no se pueden colocar sobre una placa plana Calidad de la fundición Hay numerosas contingencias que causan dificultades en una operación de fundición y originan defectos de calidad en el producto. En esta sección recopilamos una lista de defectos comunes que ocurren en la fundición e indicamos los procedimientos de inspección para detectarlos. Defectos de la fundición Existen defectos comunes en todos los procesos de fundición. Estos defectos se ilustran en la figura 2.23 y se describen brevemente a continuación: Llenado incompleto. Este defecto aparece en una fundición que solidificó antes de completar el llenado de la cavidad del molde. Las causales típicas incluyen: 1) fluidez insuficiente del metal fundido, 2) muy baja temperatura de vaciado, 3) vaciado que se realiza muy lentamente y/o 4) sección transversal de la cavidad del molde muy delgada. b) Junta fría. Una junta fría aparece cuando dos porciones del metal fluyen al mismo tiempo, pero hay una falta de fusión entre ellas debido a solidificación o enfriamiento prematuro. Sus causas son similares a las del llenado incompleto. c) Metal granoso o gránulos fríos. Las salpicaduras durante el vaciado hacen que se formen glóbulos de metal que quedan atrapados en la fundición. Un buen diseño del sistema y de los procedimientos de vaciado que eviten las salpicaduras puede prevenir este defecto. d) Cavidad por contracción. Este defecto es una depresión de la superficie o un hueco interno en la fundición debido a la contracción por solidificación que restringe la cantidad de metal fundido disponible en la última región que solidifica. Ocurre frecuentemente cerca de la parte superior de la fundición, en cuyo caso se llama rechupe (figura 2.7). El problema se puede resolver frecuentemente por un diseño apropiado de la mazarota. Microporosidad. Se refiere a una red de pequeños huecos distribuida a través de la fundición debida a la contracción por solidificación del último metal fundido en la estructura dendrítica El defecto se asocia generalmente con las aleaciones, debido a la forma prolongada, en que ocurre la solidificación en estos metales. Desgarramiento caliente. Este defecto, también llamado agrietamiento caliente, ocurre cuando un molde, que no cede durante las etapas finales de la solidificación o en las etapas primeras de enfriamiento, restringe la contracción de la fundición después de la solidificación. Este defecto se manifiesta como una separación del metal (de aquí el término desgarramiento o agrietamiento) en un punto donde existe una alta concentración de esfuerzos, causado por la indisponibilidad del metal para contraerse naturalmente. En la fundición en arena y otros procesos con molde desechable o consumible, esto se previene arreglando el molde para hacerlo retráctil. En los procesos de molde permanente se reduce el 55

59 desgarramiento en caliente, al separar la fundición del molde inmediatamente después de la solidificación. FIGURA 2.23 Algunos defectos comunes en las fundiciones: (a) llenado incompleto, (b) junta fría, (c) gránulos fríos. (d) cavidad por contracción, (e) microporosidad y (f) desgarramientos calientes. Algunos defectos se relacionan con el uso de moldes de arena y, por tanto, ocurren solamente en la fundición en arena. Aunque en menor grado, los otros procesos de molde desechable son también susceptibles a estos problemas. En la figura 2.24 se muestran algunos de los principales defectos que ocurren en la fundición en arena FIGURA 2.24 Defectos comunes de fundiciones en arena: (a) sopladuras (b) puntos de alfiler, (c) caídas de arena, (d) costras, (e) penetración, (f) corrimiento del molde (g) corrimiento del corazón y (h) molde agrietado. a) Sopladuras. Este defecto es una cavidad de gas en forma de pelota causada por un escape de gases del molde durante el vaciado. Ocurre en la superficie de la parte superior de la fundición o cerca ella. La baja permeabilidad, pobre ventilación y el alto contenido de humedad en la arena del molde son las causas generales. 56

60 b) Puntos de alfiler. Es un defecto similar al de las sopladuras que involucra la formación de numerosas cavidades pequeñas de gas en la superficie de la fundición o ligeramente por debajo de ella. c) Caídas de arena. Este defecto provoca una irregularidad en la superficie de la fundición, que resulta de la erosión del molde de arena durante el vaciado. El contorno de la erosión se imprime en la superficie de la fundición final. d) Costras. Son áreas rugosas en la superficie de la fundición debido a la incrustación de arena y metal. Son causadas por desprendimientos de la superficie del molde que se descascaran durante la solidificación y quedan adheridas a la superficie de la fundición. e) Penetración. Cuando la fluidez del metal líquido es muy alta, éste puede penetrar en el molde o en el corazón de arena. Después de la solidificación, la superficie de la fundición presenta una mezcla de granos de arena y metal. Una mejor compactación del molde de arena ayuda a evitar esta condición. f) Corrimiento del molde. Se manifiesta como un escalón en el plano de separación del producto fundido, causado por el desplazamiento lateral del semimolde superior con respecto al inferior. g) Corrimiento del corazón. Un movimiento similar puede suceder con el corazón, pero el desplazamiento es generalmente vertical. El corrimiento del corazón y del molde es causado por la flotación del metal fundido. h) Molde agrietado (venas y relieves). Si la resistencia del molde es insuficiente, se puede desarrollar una grieta en la que el metal líquido puede entrar para formar una aleta en la fundición final. Métodos de inspección Los procedimientos de inspección en la fundición incluyen: 1) inspección visual para detectar defectos obvios como llenado incompleto, cortes fríos y grietas severas en la superficie; 2) medida de las dimensiones para asegurarse que están dentro de las tolerancias; y 3) pruebas metalúrgicas, químicas, físicas y otras relacionadas con la calidad inherente del metal fundido. Las pruebas de la categoría 3 incluyen: a) pruebas de presión para localizar fugas en la fundición; b) métodos radiográficos, pruebas de partículas magnéticas, uso de líquidos penetrantes fluorescentes y pruebas supersónicas para detectar defectos superficiales o internos en la fundición; c) ensayos mecánicos para determinar propiedades, tales como la resistencia a la tensión y dureza. Si se descubren defectos, pero éstos no son serios, muchas veces es posible salvar la fundición por soldadura, esmerilado y otros métodos de recuperación que se hayan convenido con el cliente Consideraciones para el diseño de productos Si el diseñador de productos selecciona la fundición como el proceso principal de manufactura para un componente particular, serán necesarios ciertos lineamientos que faciliten la producción y eviten muchos de los defectos que se enumeran en la sección A continuación se presentan algunos lineamientos y consideraciones importantes para el diseño de fundiciones. 57

61 Simplicidad geométrica. Aunque la fundición es un proceso que puede usarse para producir, formas complejas la simplificación del diseño propiciará una fundición fácil y eficiente. Al evitar complejidades innecesarias se simplifica la hechura del molde, se reduce la necesidad de utilizar corazones y se mejora la resistencia de la fundición. Esquinas. Deben evitarse esquinas y ángulos agudos, ya que son fuente de concentración de esfuerzos y pueden causar desgarramientos calientes y grietas en la fundición. Es necesario redondear los ángulos en las esquinas interiores y suavizar los bordes agudos. Espesores de sección. Los espesores de sección deben ser uniformes a fin de prevenir bolsas de contracción. Las secciones más gruesas crean puntos calientes en la fundición, debido a un mayor volumen que requiere más tiempo para solidificar y enfriar Éstos son lugares posibles donde se pueden formar bolsas de contracción. La figura 2.25 ilustra el problema y ofrece algunas soluciones posibles. FIGURA 2.25 (a) En la parte gruesa de la intersección se puede formar una cavidad por contracción, (b) esto se puede remediar rediseñando la pieza para reducir el espesor y (c) usando un corazón. Ahusanúento. Las secciones de la pieza que se proyectan dentro del molde deben tener un ahusamiento o ángulos de salida, como se define en la figura El propósito de este ahusamiento en los moldes consumibles o desechables es facilitar la remoción del modelo del molde. En la fundición con molde permanente el objetivo es ayudar a remover la parte del molde. Si se usan corazones sólidos, éstos deben dotarse con ahusamientos similares en los procesos de fundición. El ahusamiento requerido necesita ser solamente de lº para fundición en arena y de 2º a 3º para procesos con molde permanente. 58

62 FIGURA 2.26 Cambio de diseño para eliminar la necesidad de usar un corazón: (a) diseño original y (b) rediseño Tolerancias dimensiónales y acabado superficial. Se pueden lograr diferencias significativas en la precisión dimensional y en los acabados de la fundición, dependiendo del proceso que se use. La tabla 2.2 muestra una recopilación de valores típicos para estos parámetros Tolerancias de maquinado. Las tolerancias que se especifican en muchos procesos de fundición son insuficientes para cumplir las necesidades funcionales de muchas aplicaciones. La fundición en arena es el ejemplo más característico de esta necesidad. En este caso, deben maquinarse porciones de la fundición a las dimensiones requeridas. Casi todas las fundiciones en arena deben maquinarse total o parcialmente a fin de darles funcionalidad. Por consiguiente, debe dejarse en la fundición material adicional, llamado tolerancia de maquinado para facilitar dicha operación. Las tolerancias típicas de maquinado para fundiciones de arena fluctúan entre 2 y 6 mm. 59

63 TABLA 2.2 Tolerancias dimensiónales típicas y acabados superficiales para diferentes procesos de fundición y metales Limpieza e inspección Los barriles de frotación constan de un tambor impulsado por un motor en el cual se voltean las piezas fundidas en contacto con estrellas o bolas de hierro duro. El choque con ellas desprende la arena y las costras. En las máquinas de limpieza con chorro de aire, un chorro de aire comprimido lanza arena de sílice o perdigones de hierro acerado con gran violencia contra las piezas, que están dentro de un barril de 60

64 frotación, girando sobre una mesa o pasando entre orificios múltiples en un transportador. En ocasiones, se utilizan salas grandes y un operario dirige la boquilla. Estas máquinas tienen tolvas y elevadores para devolver la arena o los perdigones al depósito. Se requieren sistemas de recolección de polvo. En las unidades de limpieza por chorro centrifugo, se emplea un impulsor rotatorio para dar la velocidad necesaria a los perdigones de hierro acerado o un abrasivo arenoso. Las velocidades no son tan altas como con el aire, pero el volumen de abrasivo es mucho mayor. Por lo demás la construcción es semejante a la de la maquina de chorro de aire. Se emplea agua en grandes volúmenes y a presiones de 250 a 600 lb / pulg. 2 para desprender la arena y los corazones de piezas fundidas medianas y grandes. Un operario que se encuentra fuera de la cámara de limpieza, dirige el chorro de agua. En la limpieza con agua y arena a alta presión (HIDROBLAST) se emplea agua entre 1200 y 1900 lb / pulg. 2 (8.3 a 13.1 MN / m 2 ) mezclada con arena para moldeo que se ha desprendido con el chorro de las piezas fundidas. En el sistema de recuperación de arena se tiene un clasificador de esta. Las rebabadoras neumáticas se pueden emplear para limpiar piezas fundidas grandes en las cuales la arena esta muy quemada y para cavidades profundas. Eliminación de vaciaderos y rebosaderos y acabado de las piezas fundidas. Los métodos que más se emplean para eliminar los vaciaderos y rebosaderos (indicados con R) y para dar el acabado (indicados con A) son: ACERO. Oxiacetileno (R), martillo (R), rectificadoras (A), rebabadoras (A) y maquinado (A). HIERRO FUNDIDO. Rebabadoras (R, A), martillo (R), recorte de abrasivos (R), sierra mecánica (R) y rectificadoras (A). HIERRO MALEABLE. Martillo (R), rectificadoras (A), cizalla (A) y maquinado (A). LATON Y BRONCE. Rebabadoras (R, A), cizalla (R, A), martillo (R), corte con abrasivo (R), sierra mecánica (R), lijadoras de banda (A), rectificadoras (A) y maquinado (A). ALUMINIO. Rebabadoras (R), cizalla (R), martillo (R), sierra mecánica (R), rectificadoras (A) y lijadora de banda (A). MAGNESIO. Sierra de cinta (R), maquinado (A), máquinas de ejes flexibles con cortadores de acero para rebabas (A) Inspección de piezas fundidas Las piezas fundidas se inspeccionan respecto a su exactitud dimensional, dureza, acabado superficial, propiedades físicas, solidez interior y grietas. 61

65 La solidez interior se verifica al cortar o romper las piezas fundidas piloto o mediante una prueba no destructiva con el empleo de rayos X, rayos GAMMA y el fluoroscopio. Las pruebas destructivas solo indican la condición de la pieza que se prueba pero no hay la seguridad de que las demás piezas que no se probaron estén en buenas condiciones. Es el procedimiento que mas se emplea en la actualidad. Los rayos X, los rayos GAMMA y el fluoroscopio han posibilitado la inspección no destructiva de piezas fundidas a fin de determinar la solidez interior de todas las producidas. Se puede determinar si hay contracciones, grietas, desgarraduras y burbujas de agua y efectuar las reparaciones antes del embarque. Las pruebas con polvo magnético (magna flux) se emplean para localizar discontinuidades estructurales en el hierro y acero, excepto en aceros austeniticos, pero no se pueden aplicar en la mayor parte de los metales no ferrosos o sus aleaciones. Este método es el mas útil para localizar discontinuidades superficiales, pero también puede indicar defectos profundos si la fuerza magnetizadora es suficiente como para producir un campo de dispersión en la superficie. En esta prueba se induce un flujo magnético en un material ferromagnético. Cualquier discontinuidad brusca en su trayectoria produce un campo local de dispersión de flujo. Si se espolvorean en las inmediaciones de la discontinuidad partículas muy finas del material, presentan una trayectoria de baja reluctancia al campo de dispersión y se agrupan en una posición que, más o menos, delinean las fronteras de aquella. La pieza que se va a probar se magnetiza y sobre su superficie se espolvorea polvo magnético. Una corriente de aire a baja velocidad elimina el sobrante de polvo y deja el defecto delineado por las partículas de polvo. El polvo se puede aplicar mientras esta fluyendo la corriente magnetizadora o después de cortarla. El polvo se puede aplicar en seco o suspendido en un destilado ligero del petróleo similar keroseno. Pintura a base de mica. Diluida en agua, para fundición de piezas de aluminio vaciadas en molde permanente por medio de gravedad o de baja presión. Pinturas de silicato de zirconio. Para moldes y corazones, en base de alcohol para fundición en acero o piezas grandes en hierro. 62

66 III. MATERIAL Y EQUIPO PARA LA FABRICACION DE MOLDES 3.1 Máquinas de CNC El uso de este tipo de maquinaria en la fabricación de los moldes para rines es de gran importancia, debido a que los errores en tolerancias son menores, además de que la precisión es mucho mayor. Las ventajas del control numérico computarizado es la facilidad de operación, programación más sencilla, mayor exactitud, adaptabilidad y menos costos de mantenimiento, la combinación del diseño con computadora, y mayor productividad. La desventaja es que las condiciones que influyen en las decisiones con la automatización son los crecientes costos de producción, demoras en la producción, escasez de mano de obra, condiciones peligrosas de trabajo. Además de que los factores que se deben estudiar con cuidado son el alto costo inicial del equipo, los problemas de mantenimiento y el tipo de producto. Dentro de este tipo de máquinas podemos encontrar el control CNC HAAS. A continuación se presentan las características del HAAS. 63

67 HAAS EL CONTROL CNC Control CNC de Haas Es algo sobradamente conocido por los propietarios y usuarios de máquinas de Haas durante años, pero ahora todo el mundo es consciente de ello. Un estudio de mercado realizado de manera independiente ha demostrado que profesionales han clasificado el control de Haas como el de manejo más sencillo de todos con el que han trabajado. Haas diseña y fabrica su propio sistema CNC, tanto hardware como software, especialmente optimizado para las máquinas herramienta de Haas. Este sistema utiliza tres procesadores Motorola de alta velocidad, que permiten realizar hasta cálculos de lazos de control por segundo para cada uno de los seis motores y ofrecen hasta bloques por segundo de velocidad de ejecución de programas. La memoria RAM estática alimentada por batería se utiliza exclusivamente para almacenar programas. También se comercializa un equipo opcional de hasta 16 MB para almacenar archivos grandes o guardar trabajos en la máquina. A diferencia de la RAM dinámica de un PC, que sólo retiene memoria mientras esté recibiendo alimentación, la RAM estática alimentada por batería conserva los cambios de manera instantánea y permanente. Además del almacenamiento de programas en la RAM, también están disponibles otras opciones de almacenamiento incluidas disquetera floppy, conectividad Ethernet y almacenamiento en disco duro de hasta 20 GB. Todos los controles de Haas también vienen equipados de serie con una pantalla LCD-TFT color de elevado contraste y están disponibles con el nuevo software de Sistema de torneado intuitivo (Intuitive Turning System) o Sistema de fresado intuitivo (Intuitive Milling System). Este software guía al operador a través de funciones básicas de mecanizado y operaciones generales de 17 HAAS el control CNC, 64

68 mecanizado mediante una pantalla con una sola ficha, sin necesidad de tener conocimientos de código G. Facilidad de uso Una idea importante en los controles diseñados por Haas es la estandarización de teclados de todos los controles HAAS (los centros de torneado tienen algunas teclas específicas para su funcionamiento). Así, si se aprende a utilizar un teclado de un control de Haas, se aprende a utilizar, a encender y a programar el resto, ya sean de centros verticales, horizontales, tornos o incluso máquinas de 5 ejes. Además, Haas ofrece simuladores de CNC para centros de formación y escuelas y cursos de especialización Control de torno CNC de Haas Características estándar Procesadores triples de 32 bits Edición avanzada de programas Compatibles con el código G de la normativa ISO Encendido con un solo botón Correctores de origen/herramientas: entradas con un solo botón 50 correctores de geometría/desgaste conicidad de herramientas compensación del radio de la nariz de la herramienta 200 correctores de geometría/desgaste 105 correctores de origen Gestión de la vida útil de las herramientas Supervisión de carga de herramientas Interpolación helicoidal Doble editor Revisión de programas en pantalla dividida Calculadora trigonométrica Calculadora de velocidades y avances Calculadora de arcos Reanudación de programas Puerto RS-232 Enlace a control numérico directo (DNC) 65

69 Programación métrica o en pulgadas Página de mensajes Selección de idioma Autodiagnóstico Avisos de alarmas en inglés Programación de función espejo Control avanzado de fresado de cajeras Taladros en círculo Simulación gráfica del programa Teclado exclusivo Aceleración de curva S Comunicación a alta velocidad Control remoto multifunción Grabado Ciclo de roscado rígido Control de alta precisión en contornos Fabricado en USA Opciones de control disponibles para tornos de Haas: Sistema de programación con Quick Code de Haas o con Visual Quick Code (VQC) Posibilidad de ampliar la memoria Disquetera floppy de 3,5" Funciones 8 M Macros definidas por el usuario Llave de bloqueo de memoria Medición de corrección de origen Medición de corrección de herramientas Volante de avance en mando remoto Unidad de disco duro e interfaz de Ethernet Simulador de control CNC de Haas 66

70 Control de fresadora de Haas (CMV/CMH/5 EJES) Características estándar Edición avanzada de programas Accionamientos por servomotor CA sin escobillas Procesadores triples de 32 bits Compatibles con el código G de la normativa ISO Encendido con un solo botón Correctores de origen/herramientas: - entradas con un solo botón - compensación de corte (radio/dia.) correctores de geometría / desgaste correctores de origen Gestión de la vida útil de las herramientas Supervisión de carga de herramientas Interpolación helicoidal Doble editor Revisión de programas en pantalla dividida Calculadora trigonométrica Calculadora de velocidades y avances Calculadora de arcos Programación métrica o en pulgadas Puerto IRS-232 Enlace a control numérico directo (DNC) Reanudación de programas Página de mensajes Selección de idioma Autodiagnóstico Avisos de alarmas en inglés Programación de función espejo Control avanzado de fresado de cajeras Taladros en círculo Simulación gráfica del programa Teclado exclusivo Comunicación a alta velocidad Aceleración de curva S Control remoto multifunción 67

71 Grabado Ciclo de roscado rígido Control de alta precisión en contornos Fabricado en EE.UU. Opciones de control disponibles para fresadoras de Haas: Sistema de programación con Quick Code de Haas o con Visual Quick Code (VQC) Mecanizado de alta velocidad Posibilidad de ampliar la memoria Disquetera floppy de 3,5" Funciones 8 M Macros definidas por el usuario Llave de bloqueo de memoria Segunda posición de origen definida por el usuario Medición de corrección de piezas Medición de corrección de herramientas Sistema de palpado mediante VQC de Haas Control mediante 4.º o 5.º eje Volante de avance en mando remoto Rotación de coordenadas/escala Unidad de disco duro e interfaz Ethernet 3.2 Centros de maquinado Otro tipo de maquinaria que se utiliza son los centros de maquinado. Nuevos adelantos en las maquinas y herramientas son los centros de maquinado, esto son una maquina que puede tener unas 100 herramientas o más con un cambiador automático de ellas. está diseñada para efectuar diversas operaciones sobre diferentes superficies de la pieza de trabajo. los centros de maquinado pueden producir piezas complejas con gran exactitud y rapidez. 68

72 3.3 SANDBLAST Antecedentes 18 El primer antecedente que se conoce del sandblast, tiene lugar en Inglaterra Reino Unido, en donde en agosto de 1870, Benjamin C. Tilgman, inventó una máquina que patentó con el número Esta máquina ha sido transformada a través del tiempo para cumplir con diferentes objetivos, pero el principio de funcionamiento siempre ha sido el mismo. En México no se conoce ciertamente el primer antecedente, sin embargo este sistema comenzó a aplicarse en México aproximadamente en la década de los 50 s aunque los equipos para realizar el trabajo se importaban principalmente. Este sistema es utilizado por la industria en general en diferentes etapas del proceso de producción, proporcionando una ilimitada variedad de aplicaciones, que dependerán de las necesidades del usuario Sandblasting Los equipos que se diseñan en la ingeniería para el ahorro de la energía, estudio y aplicación de la tecnología, así como nuevos métodos de proceso para llegar al mismo objetivo, pero en un menor tiempo son eventos que normalmente se encuentran dentro del diseño y la elaboración de la ingeniería o reingeniería, según sea el caso; con los justificables para su elaboración por el fin que estos persiguen, pero nosotros tenemos la condición firme de que un proyecto de ingeniería para beneficio del mismo hombre, es todavía mayor su justificación y se ve con mejores ojos o puntos de vista el diseño y construcción de los mismos. 18 Sandblast, Universidad de Guadalajara, septiembre

73 El contenido de este proyecto se realizó con las especificaciones y requisitos señalados en la guía de desarrollos de proyectos de fabricación de prototipos. Primeramente se tomó como referencia las necesidades de una Micro industria, Máquinas, herramientas. De las necesidades que se tenían, optamos por solucionar la necesidad de esmerilar láminas de vidrio por medio de la automatización. Además del sand-blast que se utilizaría para la limpieza de una infinidad de piezas que se utilizarían en talleres mecánicos, grabado en tazas, pulido de auto componentes eléctricos y electrónicos limpieza de utensilios para joyeros y dentistas, plasmar imágenes sobre mezclilla, limpieza de piezas ferrosas, grabado en cristalería etc., una infinidad de aplicaciones que tendrá nuestra maquina. Volviendo a las láminas de vidrio, en el cual este proceso sé hacia manual teniendo perdida en tiempos y por la aplicación de abrasivo en una misma área sin ser uniforme. Por lo anterior, es que se opto por diseñar una máquina (prototipo) capaz de solucionar la necesidad de esmerilar el vidrio automáticamente teniendo como resultado un mejor acabado, tiempos y una mejor producción continua, y sea menos costoso en cuestión de tiempos. 70

74 3.4 MATERIAL PARA LA FABRICACION DEL MOLDE Acero AISI/SAE 4140 PALMEXICO 4140 AISI, SAE, ASTM, NMX UNS G41400 Análisis químico según Norma Nacional NMX B-300 (% en peso): C Si Mn P máx. S máx. Cr Mo Aceros PALMEXICO S.A. DE C.V., Ficha tecnica acero AISI

75 Tipo: Formas y Acabados: Características: Aplicaciones: Acero de baja aleación al cromo-molibdeno. Barra redonda, cuadrada, hexagonal y solera laminadas o forjadas en caliente, peladas o maquinadas. Barra hueca. Placa laminada caliente. Discos. El 4140 es uno de los aceros de baja aleación mas populares por el espectro amplio de propiedades útiles en piezas que se someten a esfuerzo, con relación a su bajo costo. Al templarlo se logra muy buena dureza con una gran penetración de la misma, teniendo además un comportamiento muy homogéneo. Tiene también una buena resistencia al desgaste. Se emplea en cigüeñales, engranes, ejes, mesas rotatorias, válvulas y ruedas dentadas. También es utilizado en piezas forjadas, como herramienta, llaves de mano y destornilladores, espárragos, árboles de levas, flechas de mecanismos hidráulicos, etc.. Tratamientos térmicos recomendados ( valores en º C ) : RECOCIDO PUNTOS CRÍTICOS APROX. FORJADO NORMALIZADO TEMPLADO REVENIDO ABLANDAMIENTOREGENERACIÓN Ac1 Ac enfriar en horno Aceite Propiedades mecánicas mínimas estimadas : TIPO DE PROCESO Y ACABADO RESISTENCIA A LA TRACCIÓN LÍMITE DE FLUENCIA MPa (kgf/mm2) Ksi MPa (kgf/mm2) Ksi ALARGA- MIENTO EN 2" % REDUCCIÓN DE ÁREA % DUREZA BRINELL CALIENTE Y MAQUINADO ESTIRADO EN FRÍO TEMPLADO Y REVENIDO* RELACIÓN DE MAQUINA- BILIDAD 1212 EF = 100% 70 72

76 73

77 IV. COSTOS 4.1 Costo total del molde En la siguiente tabla se presentan los costos de los moldes asi como los costos de sus componentes, dentro de los cuales se incluye los precios de la materia prima. Descripción Cantidad Costo/Pieza Total Superior día 19.5x Inferior día 19. 5x Laterales 16 x6.0x Placa botadora día 19.5 x Placa porta cerámico día 8 x Nariz día 3 x Tuerca botadora día 3 x Postes día x Botadores 5/16 x Botadores ½ x Tornillería * * Tornillería Total: $ Opresor ¾ Tornillo ¾ cabeza plana Conexiones tubin 3/ Tornillos ½ x 1 ¾ Nota. Los precios están considerados en moneda nacional. 74

78 V. FABRICACION 5.1 Procedimiento para la fabricación del molde de acero 4140 para fundición de rines de aluminio por fundición. 1. Realización de dibujo creativo en dos dimensiones. 2. Dibujo en tercera dimensión de la parte frontal del rin. 75

79 3. Dibujo en tres dimensiones del elemento completo (rin). 76

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83 4. Dibujo de la parte superior del molde. 5. Dibujo del molde lateral. Dentro de este paso se toman en consideración la norma mexicana: 20 NMX-D-136-CT-1988 referente a AUTOTRANSPORTE RINES PARA LLANTAS DE AUTOMOVILES Y CAMIONES LIGEROS ESPECIFICACIONES Y METODOS DE PRUEBA. 20 NMX-D-136-CT-1988, Ver Anexo 77

84 6. Dibujo de la parte inferior del molde. 7. Dibujo del molde en conjunto. 78

85 8. Planos del molde. 9. Maquinado. En este paso se emplea la maquinaria especificada para la elaboración del molde. 10. Acabados En este paso se realiza la operación de sandblasting, dentro de la cual se eliminan las impurezas del molde. 79

86 11. Proceso de recubrimiento. En este paso se aplica un recubrimiento con las pinturas refractarias, para que la fundición no se pegue al molde. 12. Ensamble Se ensamblan los componentes con el molde. 80

87 13. Montar y sujetar el molde en la máquina de inyección. 81