1

PRÁCTICA FUNDICIÓN DE CHUMACERA EN ALUMINIO

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

PROCESOS DE MANUFACTURA I

Juan David Arcila Rodríguez 234726

Miguel Ángel Ciro Sánchez 234765

Juan Carlos León González 234716

Norbey Sichacá Soto 234719

Resumen

Se presenta a continuación los cálculos para el diseño del sistema de alimentación y de colada, la

simulación del proceso de llenado de la pieza usando el software Procast, el modelado de la pieza

usando Catia para también obtener algunos parámetros relacionados con la inercia de la pieza, y

los resultados de la práctica llevada a cabo en el laboratorio de fundición para obtener una

chumacera en aluminio. Se compara el valor teórico de la pieza con el valor obtenido en la

práctica, al igual que las dimensiones obtenidas con las nominales. Finalmente se hace un análisis

de los defectos encontrados en la pieza.

1. INTRODUCCIÓN

El proceso de fundición y colado de piezas continúa siendo uno de los más importantes en el

área del conocimiento de la ingeniería. Su desarrollo se ha acelerado en los últimos años

gracias a la aparición de nuevos materiales y especialmente debido al avance en diversas

herramientas informáticas que permiten el modelamiento de las piezas y la simulación de

todo el proceso con resultados casi exactos.

Gracias a estos avances, el proceso de fundición es más seguro y eficaz. Aun así, la labor del

ingeniero en el diseño y control del proceso sigue siendo fundamental.

En el presente informe se combina el modelado de piezas en Catia y la simulación del proceso

de fundición en Procast, ambos software especializados en diseño CAD y orientados a los

procesos de manufactura, con el diseño y cálculo de los distintos elementos necesarios para

fundir una chumacera en aluminio.

2

2. MODELADO DE LA PIEZA EN CATIA

Las Figuras 1 y 2 muestran el resultado de modelar la chumacera en Catia. En la Figura 2 se

observa la pieza con el sistema de alimentación compuesto del bebedero, el canal y una

entrada; Este ensamble será utilizado posteriormente para la simulación Procast.

Figura 1. Pieza modelada en Catia

Figura 2. Chumacera con sistema de alimentación

3

3. CÁLCULOS SISTEMA DE COLADA

El sistema de colada se compone del bebedero, el canal principal y las entradas.

El área de obturación de la pieza se determina con la siguiente ecuación:

𝐴𝑐ℎ𝑜𝑘𝑒 =𝑊𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

𝜌𝑙𝑖𝑞𝑡𝐶√2𝑔𝐻 (1)

Donde 𝑊𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 corresponde al peso total del material fundido que es igual al peso del metal

fundido más un 30% correspondiente al bebedero, entrada y canal. 𝜌𝑙𝑖𝑞 Corresponde a la

densidad del aluminio en estado líquido, 𝐶 es una constante que depende del tipo de

molde y complejidad del modelo, para este caso se tomó como 𝐶 = 0,45. 𝑔 se refiere a la

gravedad, y 𝐻 corresponde a la altura del bebedero; 𝑡 Corresponde al tiempo óptimo de

llenado que se determina usando la ecuación (2)

𝑡 = 𝑆3√𝑊𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝛿 (2)

En la ecuación (2) el valor de 𝑆 hace referencia a un factor de tiempo adimensional que se

puede tomar como 𝑆 = 1,2. Finalmente 𝛿 corresponde al espesor medio de la sección que

se determinó con la ayuda de Catia (Figura 4).

Catia permite fácilmente obtener distintos parámetros de la pieza asociados con su

inercia; estos valores se presentan en la Figura 3:

Figura 3.Resultados obtenidos midiendo la inercia de la pieza en Catia

4

Figura 4 Espesor promedio de la sección usando Catia

Con estos parámetros y usando las ecuaciones (1) y (2) se obtuvieron los siguientes resultados

presentados en la :

Cálculos área de obturación

Variables Unidades Parámetro

Material - Aluminio

Densidad Sólido g/cm3 2,71

Densidad líquido g/cm3 2,41

Volumen cm3 224,4

Peso pieza g 608

Peso total g 790,4

Tiempo óptimo de llenado s 8,42

Constante del molde - 0,45

Gravedad cm/s2 980

Altura bebedero cm 10

Factor de tiempo - 1,2

Espesor mediio de la sección mm 30,04

Área de obturación cm2 0,6183

Tabla 1:

Cálculos área de obturación

5

Variables Unidades Parámetro

Material - Aluminio

Densidad Sólido g/cm3 2,71

Densidad líquido g/cm3 2,41

Volumen cm3 224,4

Peso pieza g 608

Peso total g 790,4

Tiempo óptimo de llenado s 8,42

Constante del molde - 0,45

Gravedad cm/s2 980

Altura bebedero cm 10

Factor de tiempo - 1,2

Espesor mediio de la sección mm 30,04

Área de obturación cm2 0,6183 Tabla 1. Resultados área de obturación

Una vez obtenida el área de obturación se puede elegir un sistema presurizado en donde el flujo

va desde una área mayor a una área menor lo que genera un incremento en la velocidad del metal

líquido conforme avanza en el sistema pero a su vez genera una mayor turbulencia; por otro lado,

se puede optar por un sistema despresurizado en donde el flujo pasa de una área menor a un área

mayor generando una velocidad baja y menor turbulencia pero potenciales problemas de

solidificación anticipada.

Para este caso se ha optado por un sistema despresurizado. En este sistema el área de obturación

se toma igual al área del bebedero. Para determinar el área del canal principal y de las entradas se

tienen unas relaciones dadas en función del material; Para el aluminio una relación de áreas

posible es la siguiente:

𝐴𝑏: 𝐴𝑐: 𝐴𝑒 = 1: 2: 3

𝐴𝑐ℎ𝑜𝑘𝑒 = 𝐴𝑏 = 0.6183𝑐𝑚2

Con estas relaciones y teniendo el área del bebedero ya calculada se muestran los resultados para el área del canal principal y el área de las entradas en la

Sistema Despresurizado

Variables Unidades Parámetro

Área bebedero cm2 0,62

Relación áreas Ab: Ac: Ae 1:2:3.

Área canal cm2 1,24

Área entradas cm2 1,85

Tabla 2:

Sistema Despresurizado

6

Variables Unidades Parámetro

Área bebedero cm2 0,62

Relación áreas Ab: Ac: Ae 1:2:3.

Área canal cm2 1,24

Área entradas cm2 1,85

Tabla 2. Resultados para las diferentes áreas del sistema de colada

Teniendo el valor de estas áreas se pueden obtener las dimensiones geométricas de cada

elemento que compone el sistema de colada. Para el caso del bebedero se tienes las siguientes

fórmulas para calcular el diámetro inferior y el diámetro superior:

𝐷𝑖𝑛𝑓 = √4𝐴𝑏

𝜋 (3)

𝐷𝑠𝑢𝑝 = 1.25𝐷𝑖𝑛𝑓 (4)

Para el ancho y altura del canal principal se tienen las siguientes ecuaciones:

𝑎𝑛𝑐ℎ𝑜𝑐𝑎𝑛𝑎𝑙 = √𝐴𝑐

1.25 (5)

𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎𝑐𝑎𝑛𝑎𝑙 = 1.5𝑎𝑛𝑐ℎ𝑜𝑐𝑎𝑛𝑎𝑙 (6)

Se ha dispuesto que el sistema de colada tenga una entrada; las dimensiones de cada entrada se

calculan de la siguiente forma:

𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎𝑠 = √(𝐴𝑒 # 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎𝑠⁄ )

4 (7)

𝑎𝑛𝑐ℎ𝑜𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎𝑠 = 4𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎𝑠 (8)

Los resultados se muestran en la

Dimensiones sistema de colada

Variables Unidades Parámetro

Diámetro inf. Bebedero cm 0,89

Diámetro Sup. Bebedero cm 1,11

ancho canal principal cm 0,91

altura canal principal cm 1,36

área entrada cm2 1,85

altura entradas cm 0,68

ancho entradas cm 2,72

Tabla 3:

Dimensiones sistema de colada

7

Variables Unidades Parámetro

Diámetro inf. Bebedero cm 0,89

Diámetro Sup. Bebedero cm 1,11

ancho canal principal cm 0,91

altura canal principal cm 1,36

área entrada cm2 1,85

altura entradas cm 0,68

ancho entradas cm 2,72

Tabla 3. Resultados para las dimensiones del sistema de colada

Es importante analizar la velocidad del flujo en cada parte del sistema de colada, es decir, la

velocidad en el fondo del bebedero, en el canal y en las entradas; para ello se recurre a la ecuación

de continuidad dando las siguientes relaciones:

𝑉𝑏 = √2𝑔𝐻𝑏𝑒𝑏𝑒𝑑𝑒𝑟𝑜 (9)

𝑄 = 𝑉𝑏𝐴𝑏 = 𝑉𝑐𝐴𝑐 = 𝑉𝑒𝐴𝑒 (10)

Si se toma la altura del bebedero 𝐻𝑏𝑒𝑏𝑒𝑑𝑒𝑟𝑜 = 10𝑐𝑚 y reemplazando en las ecuaciones (9) y (10)

con los datos obtenidos anteriormente se encuentran los resultados mostrados en la Tabla 4:

Variables Unidades Parámetro

velocidad bebedero cm/s 140,00

velocidad canal principal cm/s 70,00

velocidad entradas cm/s 46,67

Tabla 4. Distintas velocidades del flujo

Las velocidades del flujo en los distintos elementos del sistema de colada permiten determinar el

régimen del flujo en cada sección; Para determinar el número de Reynolds se utiliza la siguiente

ecuación:

𝑅𝑒 =𝑉𝐷ℎ

𝜈 (11)

𝐷ℎ =4𝐴

𝑃 (12)

Donde 𝑉 corresponde a la velocidad en cada sección, 𝐷ℎ hace referencia al diámetro hidráulico en

cada sección calculado con la ecuación (12), y 𝜈 es la viscosidad cinemática del aluminio con valor

de 0.012710 𝑐𝑚2/𝑠.

Al aplicar las ecuaciones (11) y (12) para el bebedero, el canal y las entradas se obtuvieron los

valores presentados en la Tabla 5:

viscosidad cinemática aluminio

cm2/s 0,012710

Diámetro hidráulico entrada cm 1,09

8

Diámetro hidráulico canal cm 1,09

Reynolds bebedero - 9773,416

Reynolds canal - 6000,84

Reynolds entradas - 4000,56

Tabla 5. Valores obtenidos del número de Reynolds en cada sección.

Como se puede observar el valor del número de Reynolds en el fondo del bebedero, en las

entradas y en el canal principal supera el valor de 2300, por lo que el flujo se encuentra en

régimen turbulento sin llegar a ser valores de turbulencia severa.

Finalmente se muestran los modelados del bebedero, entradas y canal de alimentación

parametrizados en Catia (¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. y ¡Error! No se

encuentra el origen de la referencia.).

4. SISTEMA DE ALIMENTACIÓN

Para determinar si es necesario incluir una mazarota que compense las contracciones del material

es necesario calcular el Módulo de enfriamiento de la pieza; Este parámetro es la relación que

existe entre el volumen de la pieza y el área superficial de la misma. En base a los valores

arrojados por Catia se tiene el siguiente resultado:

𝑀𝑒,𝑝𝑖𝑒𝑧𝑎 =𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛

Á𝑟𝑒𝑎=

397 𝑐𝑚3

617,3 𝑐𝑚2= 0,64𝑐𝑚 = 6,4𝑚𝑚

A partir de este parámetro se calcula el módulo teórico de la mazarota usando la ecuación:

𝑀𝑚 = 1,3𝑀𝑒,𝑝𝑖𝑒𝑧𝑎 = 0,83𝑐𝑚

Se selecciona una mazarota cilíndrica con las siguientes dimensiones:

ℎ = 2𝐷

Para calcular el diámetro existen diversas maneras, una de ellas es usando el módulo

teórico de enfriamiento de la mazarota e igualando a la razón entre el volumen y área de

la mazarota:

𝑀𝑚 =

𝜋4 𝐷2ℎ

𝜋𝐷ℎ +𝜋𝐷2

2

=𝐷

5

Despejando el diámetro se obtiene el siguiente resultado:

𝐷 = 5𝑀𝑚 = 5(0,83𝑐𝑚) = 4,17𝑐𝑚

Y la altura:

ℎ = 2𝐷 = 2(4,5𝑐𝑚) = 8,34𝑐𝑚

En la Figura 5 se muestra la mazarota ubicada en la pieza.

9

Figura 5. Pieza con sistema de alimentación y colada

5. FABRICACIÓN MODELO

Para la fabricación del modelo se deben tener en cuenta dos aspectos fundamentales; el

primero de ellos es el porcentaje de contracción del metal al cambiar de fase líquida a

sólida. Para el aluminio este porcentaje de contracción se encuentra entre el 5 y 7%. Sin

embargo por recomendación del instructor del SENA se sobredimensionó el modelo en

todas las dimensiones en un 3% para compensar la contracción del metal fundido al

solidificarse.

El otro aspecto a tener en cuenta son los ángulos de salida que permitan la extracción del

modelo sin dañar el molde. Para el modelo a fabricar se ha dispuesto tomar ángulos de

salida de 2° en las caras perpendiculares entre sí. En la Figura 6 se observa el modelo

fabricado en madera y la pieza fundida.

10

Figura 6. Modelo fabricado en madera junto con la pieza fundida

6. PRÁCTICA DE FUNDICIÓN

La práctica se realizó en el laboratorio de fundición de la universidad. Lo primero en

realizarse fue la preparación de la arena para que tuviera la humedad necesaria para

compactación. Posteriormente se colocó el modelo en la parte inferior de la caja para

moldes y se empezó a llenar con la arena como se observa en la Figura 7.

Figura 7. Modelo en la caja para moldes

11

Se volteó la caja y se realizó el canal y la entrada para el flujo del metal fundido hacia el

interior del molde. Ver Figura 8

Figura 8. Realización del canal de entrada

Posteriormente se puso la parte superior de la caja y se llenó de arena. Luego se realizó el

bebedero y se hicieron algunos agujeros para facilitar la extracción de gases.

Figura 9. Molde y sistema de alimentación.

Después de que se hubo fundido el aluminio en el horno se realizó la colada como se

observa en la Figura 10 y se esperó a que se solidificara el metal y se enfriara.

12

Figura 10. Vertido del aluminio fundido en el molde

Finalmente se retiró toda la arena y se extrajo la pieza como se observa en la Figura 11.

Figura 11. Pieza obtenida después de la fundición.

7. RESULTADOS OBTENIDOS

Después de eliminar los excesos de material producto de las rebabas la chumacera quedó

como se observa en la Figura 12:

Después de realizar las mediciones sobre la pieza se evidencia que hay una disminución en

la mayoría de las dimensiones respecto a las dimensiones nominales; En la Figura 13 se

encuentra el plano mecánico de la pieza y en la Tabla 6 se comparan las dimensiones

obtenidas más relevantes con las nominales.

13

Figura 12. Chumacera después de eliminar las rebabas

Figura 13. Plano mecánico de la pieza

14

Parámetro Medida nominal

Medida real

Diferencia porcentual

Ancho total (mm) 160 158 1,25%

Altura total (mm) 108,9 106 2,66%

altura base (mm) 25 24 4,00%

Espesor base (mm) 30 28 6,67%

Espesor superior (mm)

22 22 0,00%

diámetro interno (mm)

63 62 1,59%

Peso total (g) 608 595 2,14% Tabla 6. Comparación medidas nominales y obtenidas

Como se aprecia en la Tabla 6 la mayor diferencia en longitud corresponde al 7% y hay una

diferencia del 2,14% en el peso obtenido comparado con el esperado. Estas diferencias pueden

deberse a una mayor contracción del metal fundido de la que se esperaba; un mayor

sobredimensionamiento en el modelo con un porcentaje de alrededor 5% hubiera podido resultar

en dimensiones mucho más cercanas a las nominales.

Otro aspecto importante es observar si existe presencia de rechupes en la pieza final; Como se

aprecia en la Figura 14 solo se encontró un rechupe en la pieza de un tamaño considerable. La

presencia de este rechupe puede deberse a la no presencia de la mazarota que según los cálculos

era necesaria pero que en la práctica no se utilizó.

Figura 14. Presencia de rechupes en la pieza

8. SIMULACIÓN EN PROCAST

El software Procast es un software orientado hacia los procesos de fundición. Mediante

técnicas de elementos finitos permite obtener resultados de todo el proceso de fundición.

Los resultados se adjuntan por separado.

15

Para realizar la simulación debe importarse la geometría. Para esto se utilizó la chumacera y el

molde realizados en Catia como se observa en la Figura 15

Figura 15. Geometría importada desde Catia.

Posteriormente debe realizarse un enmallado como el que se muestra en la Figura 16

Figura 16. Enmallado en Procast.

16