PROCESOS INDUSTRIALES: CONSTRUCCIÓN DE UN CIGÜEÑAL
Angel Pasamontes
1. INTRODUCCIÓN La variedad de objetos que se pueden fabricar en metal es infinita, como son infinitas las propiedades que podemos pedir a cada pieza. Sin embargo, los átomos de los metales y las herramientas con las que podemos trabajar son limitados, y hay que buscar la forma óptima de combinar esos dos factores para obtener el resultado. Vamos a describir y analizar los procesos de fundición, torneado y forjado de acero para convertirlo en un cigüeñal. Intentaremos aportar lo mejor de cada técnica para conseguir el mejor cigüeñal posible. Se deberán tener en cuenta dos cuestiones: -Debe tener una gran resistencia mecánica, ya que está siempre está sometido a grandes fuerzas de torsión que cambian con frecuencias que pueden ser de miles de ciclos por minuto, debido al funcionamiento de rotación excéntrica que tienen sus partes interiores unido al peso de las bielas y pistones, a pesar diseñado para distribuir esta carga, mediante contrapesos y una distribución equilibrada alrededor del eje de rotación..Esta resistencia deberá ser sobre todo en sentido longitudinal -Otro factor importante es el de resistencia térmica, ya que los cigüeñales pueden estar diseñados para generadores que funcionan ininterrumpidamente durante años, o en cualquier caso durante el tiempo suficiente para que si no está bien fabricado,éste se rompa. Por lo que el acero elegido en los tres casos será acero al carbono. Una última cosa antes de empezar es que si la pieza se fabricara realmente, ni el forjado ni la fundición se librarían del torneado para dar el acabado final de precisión, y, por supuesto, para conseguir la pieza de metal lista para torneado habría pasado antes como mínimo por los altos hornos y una fundición antes de conseguir el cilindro con el que empezar a trabajar. Lo mismo ocurriría en la mayor parte de los casos con la forja, por ejemplo para quitar la rebaba, entre otras cosas.
2. PROCESO DE FUNDICIÓN DE UN CIGÜEÑAL 2.1. Datos a tener en cuenta para la fundición del cigüeñal Para obtener la forma de un cigüeñal la colada centrífuga con molde en posición vertical. Ha sido elegido como método ideal por que presenta dos ventajas concretas para esta pieza: − Es una pieza de revolución y masa equilibrada, por lo que el metal
fluirá muy bien hacia los huecos. − Es una pieza que trabaja en el mismo sentido que este tipo de fundición, lo que puede suponer una ventaja pensando en que el metal cristalizará en función de unas fuerzas análogas a las de su funcionamiento y le dará una mayor densidad y compacidad, algo perfecto para las características que buscamos. Además este sistema ofrece el resto de sus ventajas; purificación del material tanto de impurezas como de gases, y una producción en serie rápida, así como la eliminación de machos. Sólo tendremos en cuenta la formación de paraboloides, que corregiremos calculando el espacio necesario para que este hueco no influya en la pieza final, resultando una pieza con una especie de mazarota en su parte superior que inevitablemente quitaríamos con un proceso posterior de mecanizado. Con esto pasamos al diseño de la matriz
2.2. DISEÑO DEL MOLDE. Para el diseño del molde, como ya hemos comentado, simplemente tendremos en cuenta que de forma inmediata al bebedero se encontrará una cavidad ensanchada con el fin de evitar que el paraboloide penetre en la pieza resultante. El plano de división de los moldes se situaría a lo largo del eje central, de forma que toda la masa quedaría distribuida de forma simétrica, tal y como se muestra en la figura 1 (en la página siguiente). Otra ventaja es la forma del cigüeñal a la hora del desmoldeo, ya que no supondrá ningún problema debido a que está colocado de forma que permite un desmoldeo sin aprisionamientos y además que debido a las características de este sistema la pieza estará casi acabada, por lo que apenas habrá que realizar un pulido posterior.
3. PROCESO DE FABRICACIÓN POR MECANIZADO DE UN CIGÜEÑAL Con el mecanizado obtendremos resultados precisos, sin embargo estos procesos no alterarán las propiedades mecánicas. Una óptima resistencia se obtendrá por las propiedades del metal de partida y/o los tratamientos posteriores al mecanizado.
3.1. TORNO Usaremos un torno revolver o un automático de levas debido a la gran versatilidad que tienen. El atomático habría que programarlo, en cualquier caso con la misma secuencia de acciones que en otros tornos. Para llegar a la forma final del cigüeñal, tendremos que pasar primero por el torno y así obtener los tres ejes existentes. Además la forma exterior de los contrapesos determina un perfil perfectamente cilíndrico, por lo que ésta será la forma geométrica de la que partiremos, representada proporcionalmente en la figura 2. Al no haber partes tronco-cónicas, el cabezal y el contrapuntos estarán alineados sobre un mismo eje. Para reducir el número de fases en cada una de ellas se utilizarán distintas combinaciones de cabezal para en cada una de ellas dejar con el acabado final la forma de cada parte cilíndrica. Las partes angulosas que unen escalonadamente los ejes cilíndricos se conseguirán con una limadora
FASES DE TORNEADO FASE 1 El primer paso será colocar el cilindro en el cabezal del torno de forma que el husillo quede en el centro de la pieza y en el otro extremo, lo mismo con el contrapunto en el otro extremo. Esta posición permitirá el desbastado de la pieza por el EJE1, como se aprecia en el alzado de la figura 1, del que de momento no desbastaríamos los dos extremos para poder cambiar al resto de los ejes. El resultado es el de la figura 3. FASE 2 El siguiente paso sería colocar la pieza obtenida en el paso anterior de forma que quede alineada por el EJE2, para desbastar hasta el nivel de los dos cilindros posteriores, como se ve en la figura 4.
FASE 3 Cambiando de nuevo hasta el nivel del EJE3 y realizando una operación similar que en la FASE 2 obtendremos algo similar a lo que se representa en la figura 5 FASE 4 En el cuarto y último paso del torneado volveremos al eje central para desbastar los extremos del cigüeñal
3.2. LIMADORA En este paso acabaremos la pieza. Estará dividido a su vez en dos FASES. FASE 1 Fijaremos el cigüeñal a la bancada de la limadora de forma que la herramienta produzca el corte en la superficie correspondiente con el plano XY (herramienta perpendicular a posición alzado), y de forma que el carnero avance de forma longitudinal desde el centro de cada trozo semi-cilíndrico que quedaron del torneado y prodicir así el típico planeado. El hacer un recorrido longitudinal redudiría el número de pasadas (si el recorrido del mismo lo permitiera). Esta operación se realizaría por ambas caras. FASE 2 Esta fase es algo más complicada , ya que habría que ir posicionando el cigüeñal para desbastar los ocho planos distintos que hay en el eje Z y quitar las aristas de alzado recto que quedaron en el torneado (figura 6). Se podría obtener con un nuevo planeado, pero sería muy complejo debido a que habría que hacer un planeo por superficie en z, es decir, o planeos, por lo que para conseguir el perfil de esta parte, habría que combinar manualmente, el avance y desplazamiento del portaherramientas. Con esto daría por finalizado el proceso de fabricación de el cigüeñal mediante procesos de mecanizado.
4. PROCESO DE FORJADO DE UN CIGÜEÑAL Este proceso resulta ideal para conseguir un cigüeñal de calidad óptima, ya que una de las grandes ventajas del forjado es que dota de gran resistencia mecánica a la pieza resultante. Esto se debe a la compresión de las fibras. El proceso concreto elegido sería la estampación en caliente , que resultaría óptima para fabricar una gran tirada de una pieza tan complicada como esta. Y como mínimo habría que hacerlo en dos fases, primero habiendo calentado previamente el tocho con el que trabajaremos.
4.1. DISEÑO DE LA ESTAMPA Este cigüeñal tiene tan solo cuatro ejes (para cuatro bielas), por lo que encontrar la zona de partición para cada caso será muchísimo más fácil que si hubiera sido diseñado para dos ejes más. La ventaja estará en la facilidad para dar forma a los ejes, aunque habrá que poner mayor atención en el diseño de los huecos para los contrapesos, ya que la presión tendrá que rellenar un hueco mayor. Es por ello que hemos elegido realizarlo con dos moldes distintos. El material de éstas debe ser duro, tenaz y resistente al desgaste, por lo que se harán con aceros altamente resistentes de la mejor calidad. Éste nos vendrá en forma de dos bloques con su superficie cepillada o aplanada con otro proceso.
4.2. ESTAMPA FASE I El trabajo a realizar sobre las dos caras será prácticamente el mismo: Esta estampa tiene como fin obtener una pieza parecida a la de la figura 2 y su partición se correspondería con el corte MOLDE1-MOLDE2 Dibujaremos la planta del cigüeñal, y con una fresadora o similar, tallaremos la forma aproximada del cigüeñal, con el fin de que el cilindro se deforme y vaya distribuyendo el metal hacia la zona de los contrapesos. Cuando tengamos los dos moldes, los taladraremos en conjunto para que al pasar los bulones, éstos dejen las dos caras perfectamente orientadas. Finalmente le daremos un tratamiento térmico para mejorar su resistencia a la deformación (¡para que no se estampe a si misma!), comprobaremos cotas y, rectificaremos las muelas. Este molde completará su forma en el número de golpes necesario y
sin dejar rebaba, ya que no tiene como fin la precisión final del acabado, si no distribuir homogéneamente el metal.
4.3. ESTAMPA FASE II La segunda estampa se correspondería con el matriciado final . Se corresponde con el corte MOLDE3-MOLDE4 Realizaríamos el mismo proceso que con la estampa anterior, solo que dibujaremos el alzado y ya con los detalles finales de acabado, ya que ahora habrá que acabar de conformarlo desde una pieza muy aproximada a la forma final de doble S simétrica unida por las bases. En esta fase tendríamos que diseñar bien los trqueles para las zonas geométricamente más complicadas. Los ejes de los cilindros no tienen ningún problema. En los contrapesos, por otro lado, hay mucho espacio que rellenar, por ello la prensa tendrá que o bien dar muchos golpes o bien ejercer una fuerza muy grande para rellenarlos, con la inevitable formación de rebaba. Por ello habrá que practicar a la estampa un cordón de matriz,que contendrá el metal de los ejes cilíndricos del cigüeñal mientras el resto del metal fluye hacia el hueco de los contrapesos. Posteriormente obtendríamos la pieza ya sólo quedaría quitar la rebarba y calibrarla en frío para terminarla. Con este sistema ahorraremos material procedente de la gran rebarba que resultaría de hacerlo con una sola estampa.
