1.-DISEÑO EN FUNDICIÓN 1.1.-DISEÑO.- conjunto de actividades cuya finalidad es dimensionar objetos, considerando las partes como un todo unitario para luego plasmarlo en graficas, dibujos, maquetas, que representen ese diseño.
CIENTÍFICO Describe o investiga las leyes del conocimiento
INGENIERO
TÉCNICO
Aplica la ciencia del conocimiento
Ayuda al ingeniero a aplicar los conocimientos
OBRERO
Ayuda al técnico
1.2.-INGENIERO.- además de aplicar la ciencia del conocimiento, es un buscador de soluciones frente a un problema, es un diseñador de procesos.
DISEÑO DE PLANTAS DE FUNDICIÓN
DISEÑO EN FUNDICIÓN
-se basa en la necesidad insatisfecha (demanda insatisfecha) -se basa en el estudio de mercado (localización de mercado) -disposición de materia prima -energía eléctrica -vías de comunicación DISEÑO DE EQUIPOS PARA FUNDICIÓN -volumen de producción total y como se divide -capacidad de la planta -balance de materia y energía -volumen en función de cada grupo y selección de las partes (partes principales y accesorios) DISEÑO DE PIEZAS FUNDIDAS
1.3.-DISEÑO DE PIEZAS FUNDIDAS.- debe considerar las siguientes etapas básicas: a.-El origen, la idea de la pieza metálica que se quiere fabricar b.-Bosquejos, hacer los bosquejos iniciales de esa idea c.-Bosquejo diseño de la pieza final o acabada, hacer un bosquejo con determinadas medidas a mano alzada, que luego se debe plasmar en el plano de pieza acabada L-1.
d.-Bosquejo y diseño del modelo, que se plasma en el plano de un modelo L-2. e.-Diseño de los sistemas de alimentación, que se plasma en el plano L-3. f.-Bosquejo y diseño del molde, que se plasma en el plano L-4.
1.4.-PRINCIPIOS DE DISEÑO: a.-Principio de conocimientos
Tener conocimientos de metalúrgica
Tener conocimiento de estructura metálica
Tener conocimiento de material
Tener conocimientos de fabricación
Tener conocimiento de procesos tecnológicos convenientes
b.-Principio de unidad Las partes deben considerarse como un todo unitario.
c.-Principio de coherencia Considera que todas las partes deben ser coherentes entre si al interno y al externo, debe ser coherente con el uso que va ha tener es decir la parte debe ser integrada a un todo mayor.
d.-Principios de exactitud y de precisión Un objeto debe ser basado a las dimensiones nominales de donde se desprende sus tolerancias respecto a la precisión con que se desea obtener la pieza.
e.-Principio de economía Se busca un diseño eficaz con una mejor eficiencia a menos costo y mejor calidad.
1.5.-ALGUNAS DEFINICIONES IMPORTANTES.a.-Bosquejos.- dibujo de la idea a mano alzada b.-Planos.- representación grafica de un diseño que requiere de distintas dimensiones c.-Metrología.- ciencia que utiliza las técnicas de medición y las reglas que rigen las cantidades fundamentales: temperatura, masa, tiempo.
d.-Valor nominal.- es la cantidad que uno desea e.-Medición.- es la acción de comparar una medida conocida con una medida desconocida, la medida conocida esta basada en estándares internacionales.
f.-Exactitud.- es el grado en que el valor medio coincide con el valor verdadero que la cantidad que interesa
g.-Precisión.- grado en que se puede repetir el proceso de medición. Ejemplo 2 de 10 datos son precisos (el 20% de precisión)
1.6.-DISEÑO DE LA PIEZA ACABADA Dibujo de detalle; tiene cotas, tolerancias, leyenda, sistema DIN ó ASA, vistas principales necesarias y vistas auxiliares, vistas seccionadas, vistas de detalle, tipos de acabado superficial
2.-DISEÑO DE MODELOS PARA SER UTILIZADOS EN EL MOLDEO EN FUNDICIÓN ENTEROS TIPOS DE MODELOS PARTIDOS
Materiales para fabricar modelos: madera, yeso, plástico, tecnopor, metales ligeros, piezas en desuso.
2.1.-CARACTERÍSTICAS DE LOS MODELOS: a.-Precisión.- se refiere a la proximidad a las medidas finales del producto (Ejem
)
b.-Exactitud.- se refiere a que al solidificar la pieza se obtienen las medidas deseadas. c.-Robustos.- que tenga suficiente resistencia mecánica (que no se deforme). d.-Funcionales.- se refiere a que debe ser fácil de manipular, lo cual depende de su diseño. e.-Buen acabado superficial.- la superficie debe ser muy lisa para que se pueda sacar fácil de la arena.
f.-Económicos.- no debe generar mas gastos de los necesarios, por ejemplo para algunas piezas es mas barato trabajarlas sin noyós y además se pueden obtener en un tiempo mas corto.
g.-Duraderos.- el modelo debe servir para varios usos. 2.2.-ELEMENTOS DE DISEÑO PARA FABRICAR MODELOS a.-Conicidades.- se refiere a las inclinaciones de las paredes del modelo, que estarán en contacto con las paredes del molde, que permitirán la extracción del modelo desde el molde (por ejemplo un molde de arena).
a.1.-Conicidad positiva.- para obtener una pieza se debe considerar una sobredimensión debido a la contracción, al maquinado que se le va a hacer y a la conicidad
a.2.-Conicidad media.- no se considera sobredimensión por maquinado, las otras dos si.
a.3.-Conicidad negativa.- no interesan las dimensiones ni el acabado superficial, solo interesa la robustez.
b.-Contracción sólida.- para efectos prácticos se utiliza la contracción lineal. En el momento de la fundición hay que considerar la contracción sólida para poder ser contrarrestada mediante sobredimensionamientos del modelo.
b.1.-Contracción sólida libre y contracción sólida constreñida Por ejemplo, la contracción sólida de acero al carbono y de la fundición gris es 1% lineal Contracción constreñida =
centro:aire; costado: metal
Contracción libre = centro: metal; costados: aire
c.-Sobre espesores por maquinado
▲: el modelo debe tener 3 mm de sobre espesor por maquinado
: no maquinado
d.-Agujeros
Si el diámetro es
a 30 mm, entonces en los modelos van tapados, pero si diámetro
es > a 30 mm, los agujeros existen.
Si en un agujero cilíndrico, la altura es mayor a 0.80 veces el diámetro interno, si se considera noyo para el agujero. En caso contrario no usa noyo.
2.3.-CRITERIO PARA EL DISEÑO DE LAS PORTADAS DE NOYOS
A
NOYO
2.4.-DISEÑO DE MODELO
Aspectos generales:
Pieza acabada
a
a+e
Modelo
e= sobre espesor total
3.-TIPOS DE RISERS Ó MAZAROTAS 3.1.-RISERS ABIERTOS.- se ubica en la parte superior de la pieza y aprovechan la fuerza de la gravedad para lograr una alimentación forzada de la pieza.
Donde: D: diámetro del riser ó mazarota DN: diámetro del neck ó cuello LN: longitud del neck ó cuello H: altura del riser ó mazarota
3.2.-RISERS LATERALES.- se coloca a un costado de la pieza moldeada generalmente cuando las piezas son delgadas o placas.
Donde: T: espesor de la pieza por proteger
3.3.-RISERS CIEGOS Ó ATMOSFÉRICOS.- sirven para proteger zonas difíciles de llegar en el molde.
4.-MÉTODOS PARA DETERMINAR EL TAMAÑO DE LAS MAZAROTAS Ó RISERS PARA PROTEGER PIEZAS FUNDIDAS DE ACERO. Método de Caine; Método de Bishop; analiza el factor de forma. Método de Wlodawer; basado en el modulo de solidificación
4.1.-MÉTODO DE WLODAWER.- aquí se trata de ubicar el foco de calor o parte más “másica” sobre la cual se ubica las mazarotas o risers.
Donde:
MM: modulo de solidificación de la mazarota MP: modulo de solidificación de la pieza 4.2.-UBICACIÓN DEL FOCO DE CALOR.- (el método de Heuvers o de los círculos inscritos)
Ejemplo #1: El riser o risers siempre se ubican en los “focos de calor”
Inscribimos círculos y donde se ubica el circulo de mayor diámetro esta el foco de calor
Ejemplo #2
Ejemplo #3:
4.3.-CÁLCULO DEL NUMERO DE RISERS NECESARIOS
√
Para aceros 0.35 %C
Donde:
T = espesor de la placa ó de la barra (T resulta ser Ø del foco de calor)
5.-DISEÑO DE RISERS PARA PIEZAS FUNDIDAS DE ACERO 0.35 %C 1.-Cálculo del volumen de la pieza por fundir según datos L-1 2.-Cálculo de las áreas de contacto con el molde aproximado según datos L-1 3.-Determinación del modulo de la pieza fundida previa división de la pieza fundida en partes. Utilizar la parte más másica. 4.-Determinación del modulo de solidificación de la mazarota 5.-Ubicar el foco de calor y ubicar la mazarota (método de Heuvers, según vista seccionada a partir de L-1) 6.-Cálculamos el # de mazarotas adecuado para el caso
6.-DISEÑO DE LOS SISTEMAS DE LLENADO PARA PIEZAS FUNDIDAS DE ACERO 0.35 %C
Puede ser 2 ó mas ataques, solo dividiendo el área del canal de ataque entre 2 ó mas entradas elegidas.
Una mazarota lateral y una mazarota ciega también puede ser utilizada como canal de escorias durante la fundición.
1.-Cálculo del peso total que se va llenar en el molde
2.-Cálculo de la altura total de la caja del molde ó sección molde superior (Ho)
Si existe mazarota superior, el límite es la superficie de la mazarota.
Si existe otra mazarota diferente ó no hay mazarota se toma en cuenta la parte más alta del modelo y el peso del material que se va a colar. Según tablas.
3.-Cálculo de la altura efectiva de llenado (Hef ) Criterios de cálculo:
(a) Hef = Ho
4.-Cálculo del tiempo de colada (t) Donde:
(b) Hef = Ho – (B2/2C)
(c) Hef = Ho – (C/2)
e: espesor promedio de la pieza (en mm) WT: peso total por llenar (en Kg) S (aceros): 1.3 (por el fondo); 1.4 (lateral); 1.55 (superior); para Fe gris S = 2.0 5.-Determinación del área de choque (AC) El área de choque es donde mas se restringe el flujo metálico, puede utilizarse la formula ó nomogramas prácticos.
x = 10.60 (acero en general) x = 8.25 (aluminio y aleaciones) x =5.34 (bronces y latones) x = 4.86 (F. gris)
6.-Determinación del área del canal de ataque (ACA) Para acero y para fundiciones el ACA = AC b = 2a l=b
7.-Determinación del área del canal de escorias (ACE)
1.5a < hCE < 3a → hCE = 2a
8.-Determinación del área del canal de bebedero inferior (ACBI)
9.-Determinación del área y del diámetro del canal de bebedero superior (ØBS)
10.-Determinación del volumen de la cubeta ó balsa (Vb)
Donde: t: tiempo de colada WT: peso total por llenar (Kg) ρ: densidad
de la aleación
r: factor de reserva para acero y Fe gris = 4.0 Considerando un factor de corrección de 25% adicional de seguridad, entonces:
Datos de tabla: l;
b;
h;
h1;
h2;
r 1;
r 2;
r 3;
r 4 y
r 5
7.-RISERS Y SISTEMA DE ALIMENTACIÓN PARA PIEZAS DE FUNDICIÓN GRIS Aquí las formas y tipos de risers así como los sistemas de alimentación son similares que en el caso del acero, sin embargo su dimensionamiento y distribución requieren un tratamiento especial dado que la fundición gris se expande durante la solidificación: la autoalimentación puede ocurrir debido al gradiente térmico y a la expansión.
TColada = 1400 °C
Teutéctica = 1150 °C
Fin de la solidificación (aún no considera la contracción sólida)
El tiempo de contracción termina con el tiempo de enfriamiento hasta la temperatura eutéctica.
Luego de llegar a la temperatura eutéctica, el grafito precipita ocupando un volumen mayor que cuando estaba disuelto en el baño liquido, se le conoce como CGE (cantidad de grafito eutéctico) y es influenciado por la CQ (composición química) y la velocidad de solidificación.
Si el tiempo de contracción es pequeño frente al tiempo total de solidificación el rechupe será pequeño, incluso puede hasta eliminarse sin necesidad de risers.
CASO GENERAL:
NOTA Para Fe gris:
Si el tiempo de vertido ó de colada tiene casi el mismo valor entonces ocurre o puede ocurrir una autoalimentación total. Esto se ha podido observar para piezas cuyo modulo es 2.0 inclusive.
Un tiempo de colada mas largo en cuanto sea posible, es posible autoalimentar y compensar gran parte de la contracción ó a veces en su totalidad.
Esta situación es debido al especial comportamiento de la fundición gris durante la solidificación permite el diseño de mazarotas de menor tamaño que en el caso estudiado para el acero fundido.
Además de la distancia de alimentación de dichas mazarotas puede calcularse de acuerdo con las siguientes expresiones:
Dónde:
DM = diámetro de la mazarota
8.-DETERMINACIÓN DEL % CONTRACCIÓN Y DEL % EXPANSIÓN EN PIEZAS DE FUNDICIÓN GRIS (uso de nomogramas experimentales) Aquí el calculo puede realizarse conociendo la CQ (composición química), temperatura de colada, tiempo real que se empleo para verter la aleación en el molde y el modulo de la pieza de fundición gris.
Ejemplo #4 Calcular la contracción total de la plancha dada en el bosquejo, si se desea colar desde una TC = 1300 °C (145 °C + Tf ), siendo su CQ: 3.35 % C; 1.00 % P; 1.5 %Si; ρhierro gris = 7.25 3
g/cm (en molde seco y rígido)
Solución: 1.-Cálculo del modulo de solidificación:
2.-Cálculo del tiempo de vertido ó de colada:
3.-Determinación del % contracción: Conociendo MP, Tcolada y CQ; hacemos uso del nomograma experimental “A”
Para molde seco y rígido %C = (Si fuera molde flexible o blando, con cierta humedad entonces %C seria = por seguridad)
4.-Determinación del % autoalimentación debido a la expansión: Conociendo el tiempo de colada o de vertido y MP podremos estimar la autoalimentación debido a la expansión haciendo uso del nomograma experimental “B”
Ejemplo #5 Una plancha parecida al caso del ejemplo #1 pero de 4 cm de espesor se cuela a 1300 °C durante 18 segundos. Si la CQ es la misma del caso anterior, determine: a.-% contracción final total y tiempo de contracción b.-El grado de saturación c.-Autoalimento totalmente? Cual debería ser el tiempo de vertido para autoalimentar totalmente. (el molde es seco y rígido)
Solución: 1.-Cálculo de MP:
2.-Cálculo de la contracción final total y el tiempo de contracción: Conociendo MP, tiempo de vertido y CQ, hacemos uso del nomograma “A”
Para molde seco y rígido %C = (Si fuera molde flexible o blando, con cierta humedad entonces %C seria = por seguridad)
El tiempo de contracción resulta ser:
Viendo el nomograma “B”
% % % % %
3.-Determinación del grado de saturación: Utilizando el nomograma “C”
9.-ALIMENTACIÓN CON MAZAROTAS A TRAVES DE SECCIONES MAS DELGADAS EN PIEZAS DE FUNDICIÓN GRIS A diferencia de las piezas de acero, en piezas de fundición gris es posible alimentar las secciones mas gruesas a través de secciones mas delgadas. Aquí es necesario considerar tiempo de contracción como un porcentaje del tiempo total de solidificación para poder estimar el modulo mínimo (de solidificación) de la sección delgada. Aquí la sección delgada debe permanecer líquida mientras la sección gruesa este contrayendo. Luego cuando se inicia la expansión de la sección gruesa, entonces la sección delgada ya puede solidificar sin peligro de no alimentar a la sección gruesa a través de ella.
Ejemplo #6
El tiempo de contracción=
x %
del tiempo total de solidificación, por eso uso del
nomograma, para el ejemplo: Tiempo de contracción= 60% del tiempo total de solidificación. Una placa gruesa cuyo modulo de solidificación es 3.1 cm y si su tiempo de contracción es del 60% el tiempo total de solidificación, puede ser alimentada por una mazarota a través de una placa delgada siempre y cuando el modulo de solidificación de la pieza delgada sea igual o mayor a 2.5 cm.
10.-DETERMINACIÓN DE DIMENSIONES DEL RISER PARA PIEZAS DE FUNDICIÓN GRIS (uso de nomogramas) Ejemplo #7 Determinar las dimensiones de la mazarota H = 2D, para una placa de F gris cuyo espesor es de 3 cm y que pesa 120 Kg. Además % Ctotal = 0.5% y el tiempo de contracción es el 50% del tiempo total de solidificación.
Solución: Viendo los nomogramas “E” MP = 1.5 cm
T/2 = (3.0/2)
Aquí, del nomograma se deduce: DM = 70 mm ;
HM = 140 mm
Peso del riser ≈ 3.2 Kgf
(El resto de los cálculos son parecidos al caso de los sistemas de llenado para fundiciones de acero 0.35 % C)
¿Cómo mejorar el rendimiento de los risers?
Con la combinación adecuada de enfriadores y risers conjuntos
Con el uso de materiales aislantes y exotérmicos en los risers
Uso de almas para los necks o cuellos
CASOS: a.-material exotermico (carbón de madera, polvo de aluminio, polvo de oxido de hierro) y material aislante (cal, chamota)
b.-manguitos aislante ó funda aislante
Asi se puede reducir el tamaño de los risers a tal extremo que se puede lograr para el caso del acero: MM = 0.8 MP en vez de MM = 1.2 MP
Problema #1 a.-Diseñar el riser ó mazarota para poder obtener la pieza fundida, según el bosquejo siguiente:
Ø 800mm Ø 700mm
S
I
Ø
2 5 0 m m
UM: mm Material: acero Densidad: 7.86 g/cm3
b.-Diseñar el sistema de llenado pertinente. Basándose en los datos de los planos de pieza acabada y del modelo, seguiremos los siguientes pasos: Sabemos:
∃
h ≤ 0.8Di ø > 30mm
1.-Cálculo del modulo de la pieza (MP):
sin noyo
2.-Cálculo del modulo de la mazarota (MM):
Previa selección del tipo de mazarota: superior, lateral, ciega , H=D; H=2D; ¿cuál de ellas? Se puede seleccionar en tablas, las dimensiones del tipo de riser ó mazarota apropiada.
Ciega: H=1.5D
3.-Cálculo del # de mazarotas necesarias: 3.1.-Determinación de la extensión del foco de calor
3.2.-# de mazarotas =
√
4.-Cálculo de altura efectiva de llenado
5.-Cálculo del peso total para llenar (WT):
6.-Cálculo del tiempo de colada (t):
7.-Determinación del área de choque (AC):
Como ACA = AC
8.-Determinación del área del canal de escorias (ACE):
9.-Determinación del área del canal de bebedero inferior (ACBI):
10.-Determinación del área y del diámetro del canal de bebedero superior (ØBS):
11.-Determinación del volumen de la cubeta ó balsa (Vb):
Datos de tabla: l;
r 3;
b;
h;
h1;
h2;
r 1;
r 2;
r 4 y
r 5
Problema #2 a.-Diseñar el riser ó mazarota para poder obtener la pieza fundida, según el bosquejo siguiente: UM: mm Material: Fe gris Densidad: 7.25 g/cm3 CQ: 3.5 % C 0.5 % P 2.0 % Si T° colada = 1400 °C
b.-Diseñar el sistema de llenado pertinente. Basándose en los datos de los planos de pieza acabada y del modelo, seguiremos los siguientes pasos:
1.-Cálculo de la contracción total de la pieza: necesito MP, % de contracción, tiempo de vertido ó de colada, % de autoalimentación debido a la expansión.
1.1.-Cálculo del modulo de la pieza (MP):
1.2.-Cálculo del % de contracción (uso de nomograma A): Se necesita saber MP, CQ, Tcolada, tipo de molde (seco y rígido ó húmedo y blando)
1.3.-Cálculo del tiempo de vertido ó de colada:
1.4.-Cálculo del % de autoalimentación (uso de nomograma B): Se necesita saber MP, tiempo de vertido o colada
2.-Cálculo del tiempo de contracción (uso del nomograma A):
3.-Cálculo de las dimensiones del riser ó mazarota (uso del nomograma E): Se necesita saber MP, tiempo de contracción, peso de pieza, %Ctotal
4.-Cálculo del # de mazarotas necesarias: 4.1.-Determinación de la extensión del foco de calor
4.2.-# de mazarotas =
4.-Ubicación de las mazarotas
5.-Cálculo de altura efectiva de llenado
6.-Cálculo del peso total para llenar (WT):
7.-Cálculo del tiempo de colada (t):
8.-Determinación del área de choque(AC):
Como ACA = AC
9.-Determinación del área del canal de escorias (ACE):
10.-Determinación del área del canal de bebedero inferior (ACBI):
11.-Determinación del área y del diámetro del canal de bebedero superior (ØBS):
12.-Determinación del volumen de la cubeta ó balsa (Vb):
Datos de tabla: l;
r 3;
b;
h;
h1;
h2;
r 1;
r 2;
r 4 y
r 5
11.-DISEÑO DE MOLDES Se necesita conocer la pieza acabada (ver L-1); el modelo de pieza (ver lamina L-2); el sistema de alimentación (ver lamina L-3).
Ejemplo #8 Se tiene la siguiente pieza:
Realizar la lamina L-1 (pieza acabada); considerar las vistas principales y auxiliares necesarias.
Realizar la lamina L-2 (modelo de la pieza); considerar las vistas principales y auxiliares necesarias.
Realizar la lamina L-3 (modelo de sistema de alime ntación de la pieza)
Realizar la lamina L-4 (molde para la pieza)
