Universidad Politécnica Territorial de Paria

Departamento de Naval

Ingeniería Mecánica

Tema 1: Fundamentos de fundición.

Conferencias Clase Práctica Seminarios Taller Total4 1 1 2 8

Actividad docente: 2 Tiempo: 90 minutos

Tema 1: Fundamentos de fundición.

Actividad docente: 4 Tiempo: 90 minutos

Conferencia 4: Tecnología de elaboración de piezas fundidas. Principios de diseño.

Objetivos:Al concluir la clase los estudiantes serán capaces de:

1. Caracterizar los principios que rigen el diseño de las fundiciones a partir del análisis de la idoneidad tecnológica de las piezas fundidas por mediación de la valoración de las formas, espesor de pared, salientes, orificios y cavidades.

2. Caracterizar las etapas para la elaboración de una pieza fundida a partir del análisis de los principios que rigen la ubicación de la pieza en el molde, la ubicación del plano divisor y la asignación de sobre medidas.

Contenidos: 1.9- Principios de diseño de semiproductos y piezas fundidas.1.10- Etapas de elaboración de una pieza fundida. 1.11 Simbología de la pieza fundida.

Medios de enseñanza: Pizarra Retroproyector

Elaborado por: Profesor Ing. Frank Gamero.

IntroducciónHacer una breve rememoración de la clase anterior ubicando al estudiante en los contenidos abordados y en específico en los tipos de moldes, sus partes y características, los tipos de plantillas y sus características, así como el sistema de alimentación de los moldes de fundición y los métodos para el cálculo de sus elementos.

Preguntas de evaluación 1. Explique en qué consiste un molde de fundición y que partes lo componen.

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2. Explique en qué consiste el sistema de alimentación de los moldes y que funciones cumple.

3. Mencione los métodos de cálculo empleados para dimensionar los sistemas de alimentación en las fundiciones.

Nexo del nuevo contenidoLa fabricación de piezas fundidas es un proceso complejo que requiere de disciplina tecnológica en todos los sentidos, desde el diseño y proyecto de la pieza, pasando por la plantilleria y la fabricación del molde hasta el proceso de colada y desmoldeo. El ingeniero fundidor debe guiarse por principios que rigen todo este proceso y dominar las particularidades de cada uno de ellos.El profesor presenta los objetivos de la clase y da a conocer los contenidos que serán abordados en la misma.

1.9- Principios de diseño de semiproductos y piezas fundidas.Una pieza tiene una construcción tecnológica cuando:1- El diseño de la pieza permite la utilización de los métodos más progresivos.2- En la pieza no pueden producirse defectos debido a sus características.3- El diseño de la pieza debe permitir hacerla mediante los métodos de elaboración mecánica

más moderna con el gasto mínimo de trabajo, materiales y tiempo de producción.

En este sentido, de las relaciones antes expuestas es necesario precisar dos aspectos fundamentales:1-Cuando el diseño de la pieza no admite ninguna variación ya que esto alteraría el funcionamiento del conjunto.2-Cuando sin alterar las posibilidades de utilización como pieza, pueden hacerse variaciones en el diseño.El caso uno no es él más frecuente, en el caso dos se debe de discutir con el diseñador y el fundidor las variantes que permiten la construcción técnicamente posible.

Al valorar las piezas se debe prestar atención a los siguientes aspectos: Formas de las piezas. Espesor de pared. Salientes. Orificios. Cavidades.

Formas de la pieza.La forma externa de la pieza debe ser lo más sencilla posible (deben evitarse los nervios, salientes, resaltes). La construcción de las piezas debe ser lo más sencilla posible, menor cantidad de partes sueltas, menor número de machos, etc.

Mejoramiento de la construcción tecnológica de la pieza fundida (ver TDp 1…4, pág. 403, GTF) La variante b representa ventajas al sustituirse los contornos curvos por rectos, sin alterar las funciones de la pieza

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Piezas con tetón Pieza con entrantes

Pieza con macho

Espesores de paredLas piezas en fundición se dividen en cúbicas y vaciadas, por eso durante el diseño hay que tener en cuenta algunas particularidades en función de la aleación. Ejemplo:

En los hierros fundidos grises el espesor de las paredes interiores debe ser de un 10–20% menor que las exteriores.

En los hierros fundidos nodulares las dimensiones se aumentan en un 15–20% sobre las del hierro fundido gris debido a su menor fluidez.

Acero fundido: Acero aleado es de un 20–30% mayor que el acero al carbono. Las paredes internas deben ser 20–30% menores que las exteriores.

En las aleaciones de cobre las paredes interiores deben ser 15-20% menores que las exteriores.

En aleaciones de aluminio puede ser empleado de un 15–20%.

SalientesEn el diseño de las piezas debe eliminarse, siempre que se pueda todo resalto, ranura, tetón, puesto que esto trae complicaciones durante el proceso de moldeo. A veces es imposible y se logra con cambios sencillos o soluciones simples.

Recomendaciones:-Situar los salientes de forma que coincidan con el plano divisor del molde por lo que se necesita un modelo complejo-Cuando varios salientes están cerca deben sustituirse por uno solo con la disposición más ventajosa.-Situar a distintos niveles los salientes que se elaboran de los que no se elaboran para facilitar el acceso de las herramientas de moldeo.

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Cambios en el diseño de la pieza fundida

OrificiosLos agujeros acarrean la necesidad de machos en las piezas, cuando son piezas vaciadas es necesario tenerlo para la fijación del macho interior. Esto se debe tener en cuenta cuando se decida hacer el agujero por maquinado o por fundición.

El agujero por fundición no se acostumbra a realizar cuando:- El diámetro es menor de 20mm en producciones masivas, 30mm para producciones en serie y 50mm en las unitarias.- Sí el diámetro es menor que la mitad de la longitud

Intersticios de paredesLa suavidad del paso de secciones delgadas a las gruesa, la unión correcta y radios de tamaño suficiente de curvaturas garantizan la obtención de piezas fundidas sin defectos. Cuando existen dificultades en él diseño y hay gran acumulación local del metal surgen grandes tensiones internas y que provocan la aparición de grietas y él alabeo, además los defectos de las cavidades de contracción o porosidad. (Ver tablas)

En las piezas la relación de espesores de paredes no debe superar:

(Ver tabla)

Cavidades interiores.Las cavidades interiores de las piezas fundidas deben de construirse de forma que tal que evite la aparición de machos. Los machos encarecen el proceso tecnológico de fundición.

Se emplean machos cuando: Las cavidades interiores deben de tener salida al exterior para portadas de los machos y

salida de los gases. Se deben tener un diseño que presente el menor número de soportes para macho. El diseño de las cavidades interiores se debe realizar de forma tal que uno de sus lados sea

recto para facilitar la transportación y secado de los machos. Las dimensiones deben de dar la posibilidad de usar armazones para los machos. El diseño de los machos debe facilitar su desmoldeo y la extracción de las armazones.

Principio de la solidificación simultáneaPara piezas de H.F. con paredes finas y medianas o piezas de bronce de poca contracciónSe realiza el diseño bajo el principio de solidificación simultánea durante el enfriamiento. Este método trae consigo una disminución de la hermeticidad, por lo que la pieza que lo requiere debe de realizársele un ensayo hidráulico (ver Tabla). Bajo este principio se fabrican todas las piezas tipo cuerpo Ej: carcazas.

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Principio de la solidificación dirigida.Este principio asegura obtener piezas sin defectos de fundición. El diseño bajo este concepto conlleva en muchos casos al aumento del gasto de metal – líquido, así como a complejidad del moldeo, tendencia a la aparición de grietas por la diferencia de temperaturas en la zona de la pieza.Se emplean para piezas de alta exigencia de aleaciones de acero y de hierro fundido de paredes gruesas, de aluminio y piezas que trabajan bajo presión.Este principio plantea que la solidificación debe de ser de abajo hacia arriba, desde las paredes finas en la parte inferior hasta las gruesas en las superficies o sea la parte de arriba alimenta la parte de abajo.Para este principio se emplea la comprobación de las circunferencias inscriptas donde:

D3>D2>D1>D (ver tabla)

La relación se debe de escoger para dos secciones, una cerca de la otra: 1:1.1 hasta 1:1.5En algunos casos se pueden hacer acuerdos de pared para dar los márgenes tecnológicos.

1.10- Etapas de elaboración de una pieza fundida. Las etapas de elaboración de una pieza por fundición se resumen a continuación:

A. Ubicación de la pieza en el molde.B. Ubicación del plano divisor de la pieza.C. Realización del diseño de la pieza fundida.D. Determinar la posición de los machos. E. Realizar los cálculos y esbozar en el dibujo el sistema de alimentación.F. Definir el método de control para el molde y machos, construir los patrones y dispositivos.G. Determinar las dimensiones de la caja de moldeo.H. Argumentar el método de moldeo y las mezclas escogidas.I. Determinar los elementos básicos del vertido, enfriamiento y extracción del molde.

A) Ubicación de la pieza en él moldeLa ubicación de la pieza fundida en él molde es un paso importante dentro de la tecnología del molde, pues de una correcta decisión dependerá una buena calidad de la pieza.

En la selección de la forma de ubicación de la pieza en él molde hay que tener en cuenta: La mayor parte debe de quedar en la parte inferior del molde, ya que facilita él montaje. Las superficies más importantes o con tratamiento mecánico deben de quedar a un lateral o

en la parte inferior. La posición de la pieza debe corresponder con los principios de solidificación dirigida de

manera que ello evite defectos de contracción. En piezas de acero y aluminio voluminosas se emplean mazarotas. La mejor posición para las paredes finas es la inferior u oblicua, en piezas de hierro fundido,

donde existe un espesor predominante de pared se pueden colocar las partes más voluminosas abajo.

No situar grandes superficies en la parte inferior y en caso imprescindible ser divididas por secciones o llenar el molde en posición oblicua (ver Figura 5.1).

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Figura 5.1: Posición de la plantilla en el molde.

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Si la pieza posee forma cilíndrica con maquinado externo e interno, se debe de colocar en posición vertical.

Las superficies a maquinar deben de quedar en él fondo o en las paredes laterales. La posición de la pieza debe de asegurar la ubicación del sistema de alimentación, para llenar

y alimentar el molde adecuadamente.

B) Ubicación del plano de división de plantilla y el molde. Aspectos necesarios a tener en cuenta para seleccionar el plano de división entre la plantilla y el molde: Facilidad de extracción de la plantilla del molde sin que se rompa el mismo, comodidad del

moldeo, tratando que quede la mínima cantidad de partes sueltas. La cantidad de planos de división debe ser mínima procurando en la medida de las

posibilidades que los planos de división sean planos. La cantidad de machos debe ser mínima. El plano de división debe asegurar un buen apisonado, acabado, pintado del molde, así como

el montaje y control de los machos. El plano de división debe asegurar la salida de los gases.

C) Realización del diseño de la pieza fundida.

Para realizar el diseño hay que tener en cuenta: los sobreespesores de maquinado y tecnológicos. Los planos de diseño se realizan para: plantillería, taller de moldeo y el buró tecnológico. Los criterios de diseño nos pueden decir si la pieza puede salir por fundición.

Determinación de las sobremedidas de maquinado y ángulos de inclinaciónPara que la construcción de una pieza fundida sea lo más tecnológica posible, es necesario tener en cuenta los siguientes aspectos:

La pieza no tendrá después de solidificada las dimensiones originales de la cavidad del molde, debido al proceso de contracción al cambiar de líquido a sólido.

Las paredes verticales de las plantillas tienden a oponerse al desplazamiento o movimiento de extracción de la misma, provocando a veces derrumbes de las paredes al producirse el desmoldeo.

Es necesario prever cierta cantidad de metal extra en la pieza fundida, para efectuar sobre el mismo las operaciones de corte con la máquina de herramienta correspondiente.

Los aspectos antes señalados nos obligan a introducir diferentes márgenes (sobremedidas) encargadas de satisfacer las condiciones de producción que impone el proceso de fundición como son:1- Sobremedida de maquinado.2- Sobremedida de contracción.3- Sobremedida de inclinación y salida.4- Sobremedida tecnológica.

1. Sobremedida de maquinado.Se define como el exceso de material que se le adiciona a la pieza fundida para mediante maquinado, llevarla a la dimensión requerida en el plano.Estas se señalan en color rojo sobre el plano de la pieza, su magnitud se coloca dentro de un paréntesis, debajo de la cota en una tabla aparte.El margen de maquinado depende:a) Masividad y grado de precisión en la producción de la pieza.

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b) Dimensión básica.c) Dimensión determinante.d) Tipo de metal

a) Masividad y grado de precisión en la producción de la pieza.El grado de precisión (A, B, C) en la sobremedida de maquinado depende de las condiciones de producción, o sea si la plantilla es de metal o de madera, si el molde es de alta resistencia o no, si hay posibilidad de defectos superficiales por los gases, en este sentido se admiten tres grados de precisión (1, 2, 3).

Precisión A: piezas moldeadas mecánicamente, construidas con grado de precisión A.Precisión B: piezas producidas en serie, moldeadas mecánicamente con grado de precisión B.Precisión C: Para piezas moldeadas a mano, construidas con grado de precisión C.

b) Dimensión básica.Es la distancia entre las superficies maquinadas o la distancia entre una superficie maquinada y una línea de referencia paralela a ella (ver Tabla)

c) Dimensión determinante:Es la mayor dimensión medida sobre un plano perpendicular a la dimensión básica (ver Tabla)

Otros aspectos a tener en cuenta en la sobremedida de maquinado son los siguientes:

Desplazamiento del molde:Las variaciones de la medida nominal debido a posibles desplazamientos de las mitades no debe ser superior al 70 % de las desviaciones para la dimensión nominal de que se trate.

Dimensión de los orificios fundidos:En la fundición existen diámetros mínimos de orificios a partir de los cuales es muy difícil obtener la cavidad sin incrustaciones:- Para acero fundido, el orificio no se obtiene por fundición cuando:

Donde:d: diámetro del agujero, mmh: profundidad (altura) del agujero, mm

- Para el resto de las aleaciones (H.F., aluminio, bronce, magnesio), el agujero no se obtiene:

Ver Tablas.

2. Sobremedida de contracción

La contracción es un fenómeno relacionado con las transformaciones que experimentan los metales y aleaciones durante los cambios de temperatura. El proceso de contracción viene definido por tres etapas:

Estado líquido Durante el cambio de estado Estado sólido

La primera y la segunda se expresan en forma volumétrica y la tres en forma lineal. La suma de las tres nos da la contracción total.

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La contracción total se puede expresar de distintas formas:a) La suma de las tres formas estudiadas (líquido + sólido + cambio de estado)b) Mediante la fórmula:

Donde:

Vp: volumen de la pieza, cm3

V1: volumen en estado líquido, cm3

c) Mediante la fórmula

A esta fórmula se le llama contracción de fundición.En la producción la contracción se ve afectada por factores externos Ej: presencia de machos, salientes, resistencia de la mezcla.

Tipos de contracción

- Contracción libre- Contracción frenada, que puede ser por tres causas:

A) Frenado mecánico (presencia de machos) B) Frenado térmico por cambios de sección

C) Efecto combinados de ambos

3. Margen de inclinación o salida.Todas las plantillas deben tener cierta inclinación en sus paredes verticales, así como las cajas de machos con él objetivo de facilitar su separación del molde.Las inclinaciones pueden ser:- Positiva- Negativa- Mixta

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Inclinación positiva Inclinación negativa Inclinación mixta

- Inclinación positiva:Se emplea cuando se tiene superficies a maquinar o cuando no se permite reducir la medida nominal.- Inclinación negativa y mixta:Su uso es opcional.

Ver las Tablas

4. Margen tecnológico

Es la sobremedida que tiene en cuenta las particularidades del proceso de fundición o en otros casos se toman en cuenta las operaciones que se van a realizar sobre la pieza fundida. Este tipo de margen no está sujeto a reglas ni se efectúa por vías de cálculo, sino está supeditado al criterio y experiencia del fundidor y él diseñador.

1.11 Simbología de la pieza fundida.Una pieza fundida a diferencia de una pieza terminada se diferencia en:- Margen de maquinado.- Inclinación del molde.- Sistema de alimentación.- Mazarotas.- Nervios falsos.- Márgenes tecnológicos de fundición.

Ver las Tablas

1.12 Ejemplo:Datos:- Peso = 15 kg- Material = H.F.- Cantidad = 200 unidades- Grado de precisión = B-2- Plantilla de metal - Moldeo en verde

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1) Plano de división

2) Margen de maquinado (ver tabla )

Conclusiones

Hacer un resumen de los principales contenidos de la clase puntualizando aquellos que resultan definitorios en correspondencia con los objetivos. Tales como, los principios de diseño de piezas brutas y terminadas, las etapas de elaboración y la simbología de la pieza fundida. Dentro de estos contenidos hay que prestar atención al valorar las piezas a los siguientes aspectos: forma de las piezas, espesor de pared, salientes, orificios y cavidades. Del mismo modo en las etapas de elaboración de una pieza se destacan entre otras: la ubicación de la pieza en el molde, la ubicación del plano divisor de la pieza, los cálculos y esbozar en el dibujo el sistema de alimentación, determinar las dimensiones de la caja de moldeo y argumentar el método de moldeo y las mezclas escogidas.

Preguntas de comprobaciónLas preguntas deben estar en función de los objetivos previstos.

1. ¿Qué consideraciones debe tener el diseñador de piezas fundidas en cuanto a la forma, espesor de las paredes, salientes y orificios?

2. Mencione los principios o aspectos que hay que considerar al ubicar la pieza en el molde.

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Margen p1

Dimensión básica = 500 mm

Dimensión determinante = 250 mm

p1 = 4 mm

Margen p2

Margen p3

Dimensión básica = 500 mm

Dimensión determinante = 250 mm

Dimensión básica = 150 mm

Dimensión determinante = 500 mm

P2 = 4 mm

P3 = 3.5 mm

3. Mencione los principios o aspectos que hay que considerar al ubicar el plano de división de plantilla y el molde.

4. Mencione las sobremedidas encargadas de satisfacer las condiciones de producción que impone el proceso de fundición.

Estudio independiente

Realizar la preparación para el seminario uno en función de la guía entregada en clases y la bibliografía disponible tanto en textos como formato electrónico.

Bibliografía:

1. Fundamentos de manufactura moderna. Materiales, procesos y sistemas. Mikell P. Groover. (pdf)

2. Manufactura, ingeniería y tecnología. Kalpakjian S y Schmid S. R.

3. Manuales impresos y en soporte digital.

Motivación de la próxima actividad.En la próxima clase se profundizará aspectos que son fundamentales para el conocimiento e interpretación de los contenidos del tema de fundamentos de la fundición.

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