4. Realización de los ensayos

Transcripción

1 4. Realización de los ensayos Los ensayos se realizaron en las instalaciones del taller de fundición del departamento de ingeniería mecánica y fabricación de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Sevilla. A continuación se describen las diferentes etapas en las que se realizaron los mismos. 4.1 Moldeo El moldeo se realiza a mano en una caja bipartida como la mostrada en la figura 4.1, en la que se disponen todos los elementos en el plano medio o de partición. Se trata de una de caras planas con orejas de agujeros alineados para introducir bulones o pasadores de cierre para una perfecta unión entre las dos particiones. El interior de la caja es rugoso para no permitir el deslizamiento interior de la arena. Figura 4.1 Caja de moldeo. En la creación del molde es importante la disposición de cada componente del modelo. Se han de cumplir en todo momento las distancias mínimas entre elementos descritas en la sección 3.3. Las dimensiones de la caja permiten un amplio margen entre las paredes y los componentes del molde con lo que no surgen problemas dimensionales ni de distancias mínimas. En la realización del molde se ha seguido los siguientes pasos: 1. Colocación de la mitad del molde superior en su disposición óptima dentro de la semicaja superior. Se ha de tener la precaución de medir la distancia menor del sistema con la pared de la caja de moldeo y que esta sea mayor que la mínima recomendada. En este punto se ha diseñado el sistema de alimentación de forma que los canales de colada y ataque se encuentren en esta semicaja, y de manera que el pozo de colada quede dividido en dos partes: una parte que se encuentra en esta caja (ver figura 4.2), con la altura del canal de colada estando anclada a la mesa para que el sistema quede inmóvil; una segunda parte que queda en la caja inferior. Figura 4.2 Posicionamiento del modelo en la caja superior. Capítulo 4. Realización de los ensayos 43

2 2. Se añade grafito en polvo a todas las superficies vistas del modelo, se muestra en la figura 4.3. Esto crea una película que permitirá que una vez sea añadida la arena en verde y compactada alrededor del modelo, este pueda retirarse sin dificultad y la arena no quede adherida a él produciéndose posibles derrumbes de las paredes del molde. 3. Recubrimiento de una primera capa de arena de aproximadamente el 75 % del molde en el que se produce un apisonamiento con un punzón de cabeza fina como el que se muestra en la figura 4.5. En esta etapa se compacta la arena más cercana a las paredes del modelo confiriendo el punzón de cabeza fina mayor energía local. Se ha de tener la precaución en esta etapa de no golpear al modelo ya que si esto ocurriese se podrían producir movimientos de algunos de los componentes del sistema y con ello la posible nulidad del proceso. Cada apisonado debe realizarse con un movimiento seco ya que producir golpeo con arrastre podría producir movimiento del posicionado del modelo. Figura 4.3 Recubrimiento de grafito al modelo. Figura 4.4 Fase primera de compactación con punzón de cabeza fina. 4. Se recubre la caja añadiendo más cantidad de arena de la necesaria ya que se procede a apisonar con un punzón de cabeza ancha el cual confiere la compactación final de la arena. Una vez compactada, se retira el sobrante enrasando la arena con el borde superior de la caja de moldeo y se invierte para dejar al descubierto la zona de partición. Esta zona es la que se muestra en la figura Colocación de la caja inferior sobre el molde superior y se ajustan los bulones para que quede inmovilizada la unión entre ambas cajas. Se monta la parte inferior del modelo, tanto modelo como parte inferior del pozo de colada y se rocía de nuevo de polvo de grafito para mejorar su futura extracción. El montaje del la parte inferior del modelo se muestra en la figura 4.6. Figura 4.5 Parte superior del molde con el modelo. Figura 4.6 Colocación modelo en caja inferior 44 Capítulo 4. Realización de los ensayos

3 6. Se repite la secuencia de compactación de los pasos 3 y 4 en los que se añade una primera capa de arena para apisonar con punzón de cabeza fina y una segunda capa para apisonar con punzón de cabeza ancha. La arena sobrante se retira dejándose enrasada con la caja inferior. 7. Se abren los bulones y se separa la caja superior. Esto ha de ejecutarse con un movimiento rápido y vertical para que en la separación no se produzcan movimientos horizontales que produzcan desplazamientos de los modelos. 8. Para separar el modelo del molde en primer lugar se genera una pequeña vibración cada conjunto con un punzón para que mediante microvibración se despegue la arena del modelo con la ayuda el grafito. Esta acción se puede ver en la figura 4.7. Figura 4.7 Extracción del modelo en el molde 1. Seguidamente se extrae el modelo con un punzón roscado como el mostrado en la figura 4.8 que permita su extracción limpia sin esfuerzo, de forma vertical para no dañar las paredes del molde. En caso de derrumbe de alguna de las paredes, la destreza del maestro taller es crucial en la reconstrucción de la misma. Esta reconstrucción se efectuará siempre y cuando la zona afectada sea pequeña con respecto a la dimensión del modelo. Figura 4.8 Extracción del molde del modelo Por último, se soplan las paredes internas del molde con un fuelle para retirar los posibles granos sueltos de arena y las partículas de grafito, y se unen las dos cajas de moldeo con precaución de no producir derrumbamientos y alineando las orejetas para introducir los bulones. El molde ensamblado se muestra en la figura 4.9. Capítulo 4. Realización de los ensayos 45

4 Figura 4.9 Molde ensamblado 4.2 Fusión y colada Como ya se comentó en el aparatado 3.4, el estaño pertenece a los metales con temperatura de fusión más baja. Sus 232 C son una gran ventaja en el ahorro de energía debida al calentamiento del horno, ya que la temperatura que se le aporta al metal fundido será menor que para otros metales. Se ha tomado como estándar para todas las experimentaciones aplicar al metal fundido una temperatura de vertido 90 C por encima de la temperatura de fusión, es decir, verter el metal en el molde a una temperatura de 320 C. Esto se realiza para facilitar la fluidez del caldo en su recorrido a través del molde ya que aumentar la temperatura por encima de la temperatura de fusión facilita la fluidez del mismo y garantiza que el caldo en todo su recorrido permanece líquido hasta el final del mismo. Si no se aplicara el suficiente margen de sobretemperatura se podría generar solidificación cuando el metal líquido haya recorrido parcialmente el molde, esto dificultaría el completo llenado y se producirían defectos en el resultado final de la pieza. El horno utilizado para calentar el caldo es un horno eléctrico como el que se muestra en la figura 4.10, con un cazo de aproximadamente 2 litros de capacidad en el que se vierte el metal sólido lo más limpio en la medida de lo posible. En ocasiones resultará difícil la limpieza del metal sólido en su totalidad pues de su procesamiento anterior pueden quedar restos de aceites de corte o arena incrustada. En estos casos es posible colar el metal una vez líquido, puesto que los posibles restos quedarán en la superficie del metal. El caudal de vaciado sobre el bebedero del modelo debe mantenerse constante por lo que se ha de procurar que el giro del cazo en su movimiento de vertido del metal líquido sea progresivo. La altura de vertido también ha de controlarse pues será crucial para que se mantengan unas velocidades del flujo en la taza de colada diseñada que provoquen un flujo estable aguas abajo. Por ello, se ha de mantener una distancia pequeña, en torno a 50 mm, para incurrir al metal la menor energía potencial desde que cae del cazo hasta que llega a la taza de colada. Un ejemplo de vertido manual es el mostrado en la figura Capítulo 4. Realización de los ensayos

5 Figura 4.10 Horno eléctrico. Figura 4.11 Colada del metal fundido. 4.3 Desmoldeo y limpieza Generalmente en la industria de fundición el desmoldeo se realiza mediante máquinas que provocan microvibración en el molde rompiendo así su estructura. Esto reduce los tiempos de desmoldeo así como su mano de obra. Dado que el objetivo del proyecto no está encaminado a fines comerciales, se realiza de forma manual en la que se suele acompañar con un cepillado posterior. Aunque la limpieza sea el proceso final, no deja de ser importante en el diseño primero de la pieza desarrollar el sistema de forma de que esta sea lo más cómoda posible con el fin de obtener una pieza óptima. Esto quiere decir, diseños en los que la separación de los sistemas de alimentación y compensación requieran gran dificultad habrá que proceder realizando mayor número de cortes, lo que incurre en pérdida de materia prima, mayores tiempos de limpieza, desgaste de hojas de corte y posible pérdidas de defectos internos resultantes como microporos. El procedimiento seguido para cada uno de los casos estudiados en el desmoldeo y limpieza de la pieza ha seguido es el que se detalla. 1. Desmontar los bulones laterales para poder separar la caja de moldeo superior de la inferior. Para todos los casos en estudio, tras la separación de ambas cajas, la fundición queda en la caja de moldeo superior como se verse en la figura 4.12 debido a la distribución del bebedero y mazarota. Figura 4.12 Desmoldeo: separación de cajas de moldeo. Capítulo 4. Realización de los ensayos 47

6 2. Sacudida de la caja superior que propicia la fragmentación del molde y la extracción de la fundición. Se obtiene la fundición con todos sus sistemas de una pieza. Ver figura Figura 4.13 Desmoldeo: agitación del molde. 3. Limpieza con cepillo y espátula para retirar la arena incrustada en la pieza dejando la pieza lo más limpia posible de restos de arena. Ver figura Figura 4.14 Limpieza con cepillo y espátula. 4. Corte en sierra de los sistemas auxiliares: canales de alimentación y mazarota. Con ello se obtiene ya la pieza individual, separada de los sistemas acoplados quedando finalizado el desmoldeo y limpieza. Pueden verse en la figura 4.15 tanto el corte como el resultado final. Figura 4.15 Limpieza de sistemas auxiliares. 48 Capítulo 4. Realización de los ensayos

7 5. Para todos los casos estudiados se han realizado cortes tanto longitudinales como transversales en la pieza ya terminada (ver figura 4.16). Esto se realiza para estudiar los posibles defectos que se hayan podido generar en el interior de la pieza y que no son visibles desde la superficie exterior. Los anteriores puntos son relativamente rápidos comparados con el corte pues, para realizar un corte óptimo de la pieza, es necesaria una velocidad de corte baja. Figura 4.16 Corte de la pieza para su estudio interno. La superficie que se genera tras el corte debe ser lo más limpia posible pues los posibles defectos pueden ser de tamaños reducidos, por ejemplo microporos de apenas unos milímetros. Para velocidades elevadas, debido a la baja temperatura del metal se generan microsoldaduras de las rebabas del corte produciendo una superficie irregular en las paredes del molde. En la figura 4.17 se muestran dos cortes: uno liso y otro en el que aparecen microsoldaduras. (a) (b) Figura 4.17 Comparación de superficies de corte. a) Superficie con microsoldaduras b) Superficie lisa. Capítulo 4. Realización de los ensayos 49

8 Como método adicional a la limpieza de la pieza de restos de arena incrustados en su superficie, se podría realizar una limpieza con abrasivos o granallado por el cual se mejora esta superficie. No se ha hace necesario llegar a tal extremo ya que el fin de la limpieza es facilitar el estudio de los resultados obtenidos en la pieza, por lo que para la visualización superficial de los posibles defectos superficiales no es necesario una limpieza o acabado exhaustivo de la superficie y es óptimo el tratado anteriormente descrito. 4.4 Resultados de los ensayos A continuación se muestran los resultados obtenidos en los ensayos realizados siguiendo los procedimientos descritos en los anteriores puntos y para los casos detallados en la sección Resultados del diseño 1 1A Sin mazarota. Tiempo de llenado: T ll = 6 s Tiempo de desmoldeo: T d = 1 h Aparece rechupe en la zona donde se concentra mayor masa de la pieza (figura 4.18a), extendiéndose hasta la superficie exterior de la misma (figura 4.18b) y un microporo cercano a la brida (figura 4.18c). (a) *Medidas en mm. (b) (c) Figura 4.18 Resultados del diseño 1 A. 50 Capítulo 4. Realización de los ensayos

9 1B Mazarota abierta según distancia de alimentación calculada. Tiempo de llenado: T ll = 9 s Tiempo de desmoldeo: T d = 1 h No aparece en la pieza defectos de rechupe por lo que la solución de la mazarota abierta es válida. Aunque tras el corte longitudinal de la pieza se pueden observar una serie de microporos en la parte superior como se puede apreciar en la figura Estos pueden ser debidos a escoria en el caldo, resto de arena del molde,... Exteriormente la pieza se muestra muy limpia, sin restos de arena pegados a su pared. Figura 4.19 Resultado del montaje 1 con mazarota abierta en DA. 1C Mazarota cerrada Ø 45 mm según distancia de alimentación calculada. Tiempo de llenado: T ll = 8 s Tiempo de desmoldeo: T d = 48 min Exteriormente la pieza no muestra desperfecto alguno. Interiormente muestra un rechupe en la zona central por lo que la mazarota aunque también presente rechupe interno, no ha realizado su función. Este rechupe se puede apreciar en la figura Figura 4.20 Resultado del montaje 1 con mazarota cerrada de diámetro 45 mm. Capítulo 4. Realización de los ensayos 51

10 1D Mazarota cerrada Ø 50 mm e según distancia de alimentación calculada. Tiempo de llenado: T ll = 10 s Tiempo de desmoldeo: T d = 1 h Aparecen rechupes internos en las dos concentraciones de mayor masas de la pieza, extendiéndose la hasta la superficie el mayor de ellos, véase figura Figura 4.21Resultado del montaje 1 con mazarota cerrada de diámetro 50 mm en DA. 1E Mazarota abierta en la parte posterior opuesta a la alimentación. Tiempo de llenado: T ll = 8 s Tiempo de desmoldeo: T d = 50 min La pieza no presenta desperfecto alguno por lo que esta solución es válida. Se puede ver en la figura 4.22 el interior sin defectos de la pieza. Figura 4.22 Resultado del montaje 1 con mazarota abierta al fondo. 52 Capítulo 4. Realización de los ensayos

11 1F Mazarota cerrada Ø 50 mm en la parte posterior opuesta a la alimentación. Tiempo de llenado: T ll = 8 s Tiempo de desmoldeo: T d = 1 h 8 min La pieza presenta rechupe en la zona central llegando al exterior tal y como se puede apreciar en la figura La disposición realizada no será por tanto la que solucione los problemas. Figura 4.23 Resultado del montaje 1 con mazarota cerrada al fondo de diámetro 50 mm. 1G Mazarota cerrada cilíndrica horizontal en la parte posterior opuesta a la alimentación. Tiempo de llenado: T ll = 10 s Tiempo de desmoldeo: T d = 50 min Se obtiene gran rechupe interno en la zona caliente del modelo, por lo que se deduce que esta solución no es válida. Este defecto se muestra en la figura Figura 4.24 Resultado de montaje 1 con mazarota cilíndrica horizontal al fondo. Capítulo 4. Realización de los ensayos 53

12 4.4.2 Resultados del diseño 2 2A Sin mazarota Tiempo de llenado: T ll = 6 s Tiempo de desmoldeo: T d = 1 h 4 min Aparece rechupe en el fondo opuesto a la zona de alimentación, justo en la zona de la brida opuesta a la alimentación, como se puede ver en la figura Figura 4.25 Resultado de montaje 2 sin mazarota. Medidas en mm Resultados del diseño 3 3A Sin mazarota Tiempo de llenado: T ll = 6 s Tiempo de desmoldeo: T d = 1 h Se puede observar en la figura 4.26 que al igual que sucede con las anteriores disposiciones sin mazarota, aparece rechupe interno en la mayor zona caliente de la pieza. 54 Capítulo 4. Realización de los ensayos

13 Figura 4.26 Resultado de montaje 3 sin mazarota. 3B Mazarota abierta en canal de colada. Tiempo de llenado: T ll = 8 s Tiempo de desmoldeo: T d = 1 h El llenado aunque se realizó procurando que el caudal fuese uniforme, no se pudo cubrir en su totalidad los moldes, pues no fue suficiente la cantidad de material del cazo. Sin embargo, la falta se podría despreciar ya que la cantidad faltante alcanzó aproximadamente el 10% del volumen de la mazarota. Exteriormente presenta un poro que puede ser debido a una acumulación de aire atrapado en el interior del molde y no a un problema de rechupe. Puede verse en la figura 4.27 este defecto. Figura 4.27 Resultado de montaje 3 con mazarota abierta en el canal de colada. Capítulo 4. Realización de los ensayos 55

14 56 Capítulo 4. Realización de los ensayos