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Prof. Vivian OvallesFUNDICINTecnologa de Produccin I

Una fundicin es una forma obtenida vertiendo metal lquido en un molde o cavidad y permitir que se enfre y tome la forma del molde.

Se consideran como tales los objetos hechos con la forma en que van a ser usados finalmente. En cambio los objetos trabajados son colados en lingotes y luego modificados plsticamente hasta obtener la forma deseada, mediante otros mtodos existentes, tales como: mecanizado, forja, soldadura, estampado, trabajo en caliente, etc.

Los productos metlicos trabajados difieren de la fundicin en que el metal ha sido trabajado mecnicamente siendo sometido a forja, extrusin, laminado, etc.

Laminacin

Laminado de rielesLos objetos obtenidos por fundicin son, en general, ms econmicos que las forjas o las soldaduras porque, generalmente los modelos tambin son menos costosos que los dados, las plantillas o los dispositivos de sujecin. Obviamente, esta economa depende de la cantidad de partes a fabricar. Si la produccin es suficientemente alta como para amortizar el costo del equipo, se puede incluir la forja, la soldadura o algn otro medio de fabricacin.

Procesos de forja

ForjaEstructura de forja

Estampado

SoldaduraEn China, 2000 aos A.C. ya exista un molde para hacer monedas, el molde se ensamblaba como un libro al cerrarse, donde el bronce lquido se verta en la cavidad de vertido en la parte superior y se distribua hasta las cavidades.

FundicinVentajas

Se pueden colar metales para obtener la ms intrincada de las formas tanto externas como internas. La posibilidad de hacer fluir el metal fundido en secciones delgadas e intrincadas proporciona una amplia gama de posibilidades en el diseo de piezas de fundicin.

Para algunos metales, debido a su naturaleza, slo pueden obtenerse en la forma deseada mediante colada, no pueden ser sometidos a trabajo en caliente

La construccin o el ensamblaje se simplifica.

La fundicin o colada es un proceso altamente adaptable a los requerimientos de la produccin en masa.

Piezas metlicas demasiado grandes y pesadas se pueden obtener mediante colada cuando de otra forma sera muy difcil o econmicamente imposible producirlas.

Algunas propiedades de ingeniera se pueden obtener mejor en metales colados, tales como:

- Capacidad de amortiguacin de vibraciones y de mecanizado. El hierro colado tiene caractersticas de amortiguamiento nicas entre las aleaciones estructurales; especialmente bueno para aplicaciones donde hay vibraciones.

- - Para aleaciones de metales ligeros que solo se pueden producir por colada, manteniendo resistencia y bajo peso.

Mayor uniformidad en las propiedades. Metales colados exhiben las mismas propiedades sin importar en que direccin se seleccione. Esto no necesariamente ocurre en las piezas trabajadas. Esto significa que la resistencia, la ductilidad y la tenacidad son iguales en todas direcciones, una consideracin muy importante para muchas aplicaciones

Hace falta:Metal o aleacin: metal lquido obtenido por hornos de fusin ms elementos aleantesMoldes: - de arena o metlicos. Mquinas de moldeo. Es la cavidad en la que se vaca el metal. Es el negativo de la pieza.Modelo: de madera o plstico. A partir de ellos se hace el molde. Es el positivo. Se hacen a partir de un patrn.

MODELOS

Un modelo es una forma hecha de madera, metal, plstico o de material compuesto, alrededor del cual se hace la cavidad del molde con un material de moldeo.

La mayora de los modelos son removidos del molde y son usados repetidamente para hacer muchos duplicados del molde. Los modelos desechables hechos de materiales como la cera o poliestireno expandible se usan slo una vez para producir un molde individual.

Para hacer el molde, se requiere que primero se haga el modelo: Un modelo puede ser sencillamente visualizado como un rplica aproximada del exterior del producto colado.Factores fundamentales para la seleccin del tipo de modelo.El nmero de colados a ser producidos.El proceso de moldeo y de fabricacin de machos a emplearse.El diseo de la pieza.La tolerancia dimensional requerida.

MaterialesMadera. De buena calidad, secas y exenta de nudos. Para obtener moldes por moldeo manual de pequeas series.

Metlicos.Para modelos en placa o sueltos. Son ms resistentes y ms caros, se justifica ara un nmero grande de moldes. Se hacen de Aluminio, aleaciones de Al-Cu o fundicin gris.Tienen como ventaja que conservan las dimensiones.La desventaja es que son ms pesados y si son de aleaciones ferrosas son propensos a la corrosinPlsticos.Son a base de resinas epoxdicas, polietileno.Su elaboracin es ms sencilla, son mas livianos, tienen mas resistencia que la madera, pero son ms caros. Se emplean para piezas pequeas

Modelos descartables Modelos de una sola pieza hechos de materiales de baja temperatura de fusin tales como cera o materiales que se vaporizan fcilmente tal como el poliestireno expandido se usan tambin como modelos descartables de bajo costo.

Espuma de poliestireno. Se funde y luego se evapora con el metal caliente. Son modelos perdidos ms econmicos que la cera.

Tipos de modelo

Modelos simples o sueltos:Son el tipo ms simple y menos costoso de moldes reusables y son apropiados slo para produccin en pocas cantidades. Este tipo de moles es ms apropiado para procesos experimentales y prototipos de colados.Moldear con un modelo o patrn suelto requiere ms operaciones manuales y un mayor grado de habilidades de parte del moldeador, y adems mayor cantidad de tiempo. El moldeador, a parte, tiene que elaborar el canal de entrada.

b. Modelos con sistema de colada. Son una mejora de los modelos simples. Pueden ser enteros o divididos. Similar al anterior.

c. Modelos en placa o placa modelo.

1. Placa reversible: Las porciones superior e inferior del modelo estn montados sobre los lados opuestos de una placa de madera o de metal, conformando as la llamada lnea de particin (donde se unen las dos porciones), los sistemas de colada estn incorporados en la placa el modelo est acoplado en una sola placa llamado bilateral. En la misma placa estn acoplados las dos porciones en los lados opuestos de la placa

2. Doble placa ( Placas modelo superior e inferior "Cope and drag): las porciones superior e inferior del modelo estn montados en placas separadas. Son placas modelo en las cuales la parte superior (cope) y la parte inferior (drag) de un modelo separado estn montadas en placas separadas. Estas se prefieren a la placa modelo nica para alta produccin o para las piezas grandes. Es ms costoso que la placa modelo nica pero el costo total de moldeo es ms bajo porque las dos partes del molde pueden hacerse simultneamente.

Debido a que la parte superior y la parte inferior estn montadas en placas separadas, la alineacin tiene que ser precisa

Placa modeloPermite incrementar la velocidad de produccin.Incrementa la precisin dimensional y mejora el acabado superficial.

Desventaja: puede ocurrir desplazamiento al unir las dos placas para hacer el molde. Esta es una desventaja con respecto a la placa reversible.

Fabricacin del moldeLos procesos de fundicin involucran el vertido de metal fundido en un molde, entonces el material del molde y el mtodo de moldeo deben seleccionarse con cuidado.En cuanto al propio molde, la cavidad es la forma vaca dejada en la arena cuando se quita el modelo y en la que se cuela el metal, para formar la fundicin o pieza fundida

Moldes de arenaLa mayora de los colados se hacen en moldes de arena debido a que los moldes metlicos se desgastan muy rpido para la produccin de metales ferrosos. Para producciones de baja y media, los costos bajos del moldeo en arena dan una gran ventaja sobre los moldes permanentes.

Se usan varios materiales para producir moldes y machos para moldeo en arena. Estos materiales incluyen arenas, arcillas, etc.ArenasLos moldes usados en fundicin consisten en un material particulado refractario cuya unin hace que mantenga su forma durante el vertido.Las arenas verdes estn compuestas por arena de slice (SiO2) unidas con una mezcla de agua y bentonita. (El trmino verde significa que el molde no ha sido secado u horneado).

Es relativamente econmica y suficientemente refractaria an para su uso en la fundicin de aceros.

Con la arena se mezcla un agente aglomerante apropiado, usualmente arcilla, la mezcla se humedece con agua para que desarrolle resistencia y plasticidad y para seguir incluyendo los agregados apropiados para el moldeo.

La mezcla de arena resultante se prepara fcilmente y se moldea alrededor de diversas formas para dar por resultado fundiciones satisfactorias de casi cualquier metal.

Molde de arenaBentonita (aglomerante)Grafito: aumenta la plasticidad y el acabado superficial, formando una pelcula.Agua: activa los enlaces entre la bentonita y la arena

Moldes permanentes

En la fundicin en molde permanente, un molde metlico consistente de dos o ms partes es usado repetidamente para la produccin de muchos colados de la misma forma. El metal lquido entra en el molde por gravedad. Los machos ms sencillos estn usualmente hechos de metal, pero los ms complejos se hacen de arena, en este caso el proceso es llamado semipermanente.

El molde permanente es particularmente apropiado para la produccin de gran volumen con espesores uniformes y para machos poco intrincados.

El proceso tambin puede ser usado para producir piezas complejas pero las cantidades de produccin deben ser lo suficientemente grandes para justificar el costo de los moldes.

Comparados con los moldes de arena, la fundicin en moldes permanentes permite la produccin de una mayor cantidad de piezas uniformes, con mayor tolerancia dimensional, acabado superficial superior y mejores propiedades mecnicas.

Los metales que se pueden colar en moldes permanentes incluyen el aluminio, el magnesio, el zinc, las aleaciones de cobre y el acero gris hipereutectoides.

Los moldes permanentes tienen las siguientes limitaciones:Debido a los altos costos de los equipos, el proceso puede ser prohibitivo en cuanto al costo para bajas cantidades de produccin.Algunas formas no se pueden hacer con moldes permanentes, debido a la ubicacin de la lnea de particin o dificultades para remover la pieza colada de molde.

Se requiere aplicar capas protectoras al molde para prevenir el ataque por el metal fundido.

Fundicin en moldes de arena Shell (Shell molding).Arena Shell: arena se slice + Resina fenlica (Aglomerante) + CatalizadorCaractersticas

- El modelo para hacer estos moldes tiene que ser metlico- La resina fenlica es termoendureciblePueden colarse todos los metalesEs permeable para permitir el escape de los gasesEl acabado superficial es intermedio entre los moldes de coquilla y los de arena. Se usa cuando se necesita un acabado superficial mejor que la arena, pero no se cuenta con suficiente presupuesto para la coquillaEn Venezuela esta arena se usa para hacer los machosLimitacin: slo se pueden hacer modelos de 120 kg.No es reciclableEs txica en la preparacin de los moldes

En cuanto al propio molde, la cavidad es la forma vaca dejada en la arena cuando se quita el modelo y en la que se cuela el metal, para formar la fundicin o pieza fundida. La cavidad del molde puede no estar completamente vaca; puede emplearse un corazn de arena firmemente endurecida para formar la apariencia interna.

Fabricacin del macho (Coremaking)

Los machos son piezas, usualmente hechas de arena, que son localizadas dentro de la cavidad del molde para formar el interior del la pieza colada. Entonces el espacio vaco que queda entre el macho y la superficie de la cavidad del molde es lo que se convertir en el metal colado y solidificado.

La tabla lista algunas caractersticas generales y propiedades para cuatro de los materiales ms comnmente utilizados para modelos: madera, aluminio, fundiciones y poliuretano:

CaractersticaMaterial del modeloMaderaAluminioFundicionesPoliuretanoMaquinabilidadEBRBResistencia al desgastePBEEResistencia MecnicaPBERReparabilidadERBEResistencia a la corrosinEEPEE:Excelente, B: Bueno, R: Regular, P: PobreVida aproximada de los modelos antes que sea necesaria su reparacin:

Nmero de coladosModeloCaja de machoMateriales del modeloColados pequeos (dimensin ms grande)200300Madera dura20002000Madera dura y metal en zonas de desgaste60006000Aluminio, juego de placas modelo de plstico, poliuretano100 000100 000FundicionesColados medianos (dimensin ms grande)100100Madera dura1000750Madera dura y metal en zonas de desgaste30003000AluminioColados grandes (dimensin ms grande)5050Madera blanda200150Madera blanda y metal en zonas de desgaste500500Madera dura reforzada con metalProcesos de fundicin

1. Fundicin a presin (Die Casting)

La fundicin a presin es caracterizada por una fuente de energa hidrulica que imparte una gran velocidad del metal fundido para as poder llenar el dado (molde) metlico. El dado absorbe el esfuerzo de inyeccin, disipa el calor contenido en el metal y facilita la remocin de la pieza.

Se usa para metales de baja colabilidad como los metales de cobre, Cu-Zn, Cu-Sn, que por otros mtodos no llega a todos los lugares del molde ya que por este mtodo el metal es forzado llegar a todas las cavidades del molde.

El molde tiene que ser metlico, el molde de arena se destruira

La alta velocidad del proceso permite que se llenen secciones delgadas y de forma compleja a altos ritmos de produccin, en el orden de 100 partes por hora por cavidad. Esta capacidad da lugar a demandas adicionales al diseo debido a que la alimentacin tradicional por la contraccin por solidificacin es casi imposible.

Fundicin a presin

Fundicin a presin de cmara caliente: para metales con bajo punto de fusin, la cmara se encuentra en el bao de metal lquido, a su vez en un horno. Puede ser:Inyeccin por aire comprimidoInyeccin por mbolo

Fundicin a presin de cmara fraEl metal se vierte mediante una cuchara en la cmara de presin. Inyeccin por mbolo. Horizontal y verticalEl metal se inyecta hacia la cavidad, la masa fundida se presiona con mucha fuerza hacia la cavidad

Fundicin a presin a cmara fra

Ventajas:- Buenas propiedades mecnicas debido al grano fino resultante

- Buen acabado superficial. Cuando el molde est en buenas condiciones no necesita mecanizado o necesita muy poco.

- Alta velocidad de produccin

- Permite obtener piezas complicadas de aleaciones de baja colabilidad (Cu, Zn, Pb)

- Pueden colarse una gran diversidad de aleaciones

- Mayor tolerancia dimensional.DesventajasCostoso, ya que requiere mantenimiento constante y mano de obra, se justifica para un nmero importante de piezas

Limitacin de 40 50 Kg. de la alimentacin de metal fundido.

3. Fundicin a la cera perdida (Moldeo de precisin, fundicin fina)El modelo es de ceraGran ventaja: buen acabado superficial.Produccin de piezas nicas o pequeas series, artesanal, de gramos a pocos kilos.

Pasos:

Se hace el modelo de cera

Se construye un arbolito cuando se requieren piezas en serie

Se sumerge el modelo de cera o el conjunto de modelos ensamblados (arbolito) en un refractario pastoso.

Se deja escurrir la pasta (en verde).

Se introduce en horno para secar el refractario y quitar la cera derritindola y queda la cavidad (molde) de refractario cocido.

Se cuela el metal en el molde (cavidad obtenida).

Se mueve o sacude para eliminar el refractario que generalmente se pierde.

4. Colada Centrfuga

La colada centrfuga se usa para colar piezas con eje de revolucin.

La tcnica usa la fuerza centrfuga generada por un molde metlico en rotacin que distribuye el metal fundido contra las paredes del molde obteniendo la forma deseada.

Para geometras con eje de revolucin

No son necesarios machos para obtener la cavidad

Para tuberas de fundicin gris.

Introduce pocos defectos (no rechupes, no poros)

Para piezas cuyo peso va de gramos a 1 tonelada

5. Colada Continua

En la colada continua se fabrican lingotes pequeos y se consiguen mayores velocidades de enfriamiento, por lo que este proceso permite obtener mejores productos.

La colada continua tambin aumenta el rendimiento del producto de la fundicin porque hay menos desperdicio en el taller y a la vez ofrece un gran ahorro de tiempo, energa trmica y costos de procesamiento.

Debido a que hay menos heterogeneidad, se evitan los tratamientos largos de homogeneizacin. Para tochos o palanquillas, es posible laminar directamente para terminar productos en barra o alambre sin necesidad de un calentamiento intermedio.

Adems:

Tiene un mecanismo de extraccin y un mecanismo de corteSe elimina la utilizacin de lingoterasGran produccin en serieSi se controla bien, buen acabado superficialPiezas brutas rectas

ToleranciasTolerancia de contraccin del modelo.

Conforme el metal se solidifica y enfra, se contrae y reduce de tamao. Si el modelo fuera del mismo tamao que la pieza, la pieza colada sera ms pequea que la original.Para compensar esto, el modelo se hace ms grande que la pieza terminada en una cantidad llamada tolerancia por contraccin. Aunque la contraccin es volumtrica, es comn expresar en forma lineal la correccin de la contraccin.El modelo nunca puede hacerse del mismo tamao de la pieza, ya que el metal se contrae al solidificar.

Contraccin volumtrica, CvCv = 3 x Cl, Cl: contraccin linealAlgunos valores de contraccin linealBronce: 1,5%Acero: 2%Aluminio: 1,25%Fundiciones: 1%

De estos porcentajes se obtiene el margen que se debe dejar

Bronce: 0,015 Acero: 0,02Aluminio: 0,0125Fundiciones: 1%

Por ejemplo: si una pieza de acero debe medir 1000 mm (100 cm), el tamao del modelo tendr una longitud de 1020 (102 cm).

Tolerancia de mecanizado.Es la cantidad por la cual se hacen en sobretamao las dimensiones de una pieza de fundicin para proporcionar material para mecanizado.Mecanizado: proceso de arranque de viruta.Estos smbolos en la superficie de la pieza o en el plano indican el acabado superficial requerido por el cliente:: 1,5 mm : 2,5 mm : 3,5 mmDiseo de una mazarotaForma de la mazarotaLa forma de la mazarota juega un papel importante, siendo deseable aquella que permite una menor prdida de calor por unidad de tiempo.

Esto se logra disminuyendo el rea de contacto entre el metal lquido y el molde, siendo la forma ideal una esfera, cuya rea es la menor de cualquier figura geomtrica del mismo volumen, y por tanto la relacin V/A, mayor (aumentando el tiempo de solidificacin).Sin embargo, en la prctica resulta difcil reproducir en el molde mazarotas en forma de esfera, por lo que se adopta el cilindro como una forma prctica.La relacin altura/dimetro (H/D) ms econmica para mazarotas laterales es 1 y para mazarotas elevadas es 0,5Tiempo de solidificacinPara obtener una pieza sana libre de rechupes o porosidades, se requiere que el tiempo de solidificacin de la mazarota sea mayor que el de la pieza, para lograr la total alimentacin del molde. Segn la Ecuacin Chorinov:

Volumen de la MazarotaLa mazarota debe suministrar el volumen de metal lquido suficiente, para compensar el volumen de contraccin de lquido a slido de la pieza.Vmazarota > Vcontraccin de la piezaTamao de la mazarota.Relacin existente entre el volumen de la mazarota y el volumen de la pieza fundida. Se establece un factor de forma de la pieza, que permite calcular las dimensiones de la mazarota ms econmica, para una pieza de dimensiones L, A, E de la siguiente manera

Pieza sanaPieza defectuosaFIN