Universidad Simón Bolívar Departamento de Mecánica Procesos de Fabricación I MC-3611
Práctica I Fundición en Arena
INTEGRANTES: Gian Carlo Matheus 06-39880 Jorge Rivas 07-41435
Sartenejas, 13 de mayo de 2011
OBJETIVOS
General: Adquirir una experiencia práctica y familiarizarse con el proceso fundición que complemente los conocimientos teóricos que adquirimos en el salón de clase al obtener piezas fundidas empleando la técnica de moldeo en arena verde.
Específicos: • • •
Adquirir habilidades y destrezas básicas durante la realización de la caja de moldeo en arena. Identificar los posibles defectos superficiales y las características macroscópicas más comunes que se presentan en la pieza fundida. Enfrentar los diversos problemas que surgen al realizar moldes para fundición.
MARCO TEÓRICO Fundición es aquel proceso de fabricación donde se lleva el metal de trabajo de trabajo a estado líquido calentándose en un horno y luego esta mezcla se vierte en un molde para luego esperar que solidifique, adoptando la forma de la cavidad del molde. El proceso de fundición puede esquematizarse en los siguientes pasos: • Diseño de la pieza: en este paso se toman en cuenta la geometría, dimensiones, materiales de fabricación, costos, posibles procesos ulteriores, entre otros, de la pieza a fabricar. También se tiene en cuenta el diseño del sistema de alimentación, si posee mazarotas, si hay necesidad de fabricar un macho o corazón • Fabricación del modelo: es la réplica de la pieza (ligeramente agrandada) de la pieza a fabricar, permite crear la cavidad dentro del molde donde se elaborará la pieza por fundición, tomándose en consideración la contracción en la solidificación del metal y las tolerancias para el maquinado. Los modelos pueden elaborarse en metal, madera, e incluso plástico. Posee portadas o sujeciones del macho o corazón si la pieza fuese hueca. Se tiene en cuenta de igual manera la facilidad de salida en la caja de moldeo y, su vida útil. Se clasifican en: modelos partidos, de una pieza o bloque y montados en placas. Posee las siguientes propiedades: debe soportar el apisonado de la mezcla de moldeo, debe tener estabilidad, no se debe desmoronar y no puede partirse. • Fusión y moldeo: en esta etapa, se realizan la cavidad del molde y la fundición del metal. La fusión consiste en someter el metal a muy elevadas temperaturas, logrando que éste llegue a su estado líquido (en nuestro caso aluminio fundido a 800°C). Para esto, se sobrecalienta dentro de un horno de crisol, siempre por encima de su temperatura de fusión. El moldeo permite conseguir la cavidad del molde donde se verterá el metal en estado líquido para así formar la pieza deseada. Para formar la cavidad del molde se compacta la arena (apisonándola) alrededor del modelo. • Colada: es el proceso de verter el metal líquido dentro de la cavidad del molde. • Enfriamiento y solidificación: con el metal dentro del molde, se dejan enfriar ambos (pieza y molde) hasta que la temperatura permita separar las cajas sin problemas de manipulación (a temperatura ambiente). No se desea inducir esfuerzos que cambien las propiedades mecánicas. • Desmoldeo: se saca la pieza terminada junto con los accesorios del sistema de alimentación, rompiendo cuidadosamente el molde.
• Limpieza: se eliminan o remueven todos los anexos (como mínimo el conducto principal) de la pieza que no son parte de ella. • Procesos ulteriores (opcional): permiten mejorar el acabado superficial, las dimensiones y geometría de la pieza, así como sus propiedades mecánicas. Estos procesos incluyen el mecanizado y los tratamientos térmicos.
Materiales: • Chatarra de Aluminio: representa la materia prima utilizada para la fundición. Esta comprendido por bloques de aluminio que se fundirán • Mezcla de arena sílice húmeda: de color oscuro (con el tiempo se ha ido quemando), esta se mezcló con una arcilla llamada bentonita, la cual es sódica que en contacto con el agua se hinchó y pudo tomar la plasticidad deseada para reproducir la forma de los modelos escogidos por el equipo. • Tabla de madera: Con la forma de la caja de moldeo. • La caja de moldeo: está hecha de aluminio, la cual posee dos mitades con un número en cada una de ellas, al trabajar estos números deben coincidir para que la caja pueda cerrar adecuadamente y para tener referencia del correcto ensamblaje de la mitad superior del molde (contenido en la caja macho) con la mitad inferior (contenido en la caja hembra), de lo contrario ocurriría derrame del colado y una incorrecta fundición. • Modelos: • Cenicero de aluminio (pieza fundida previamente) con aproximadamente 11x11 cm de base y de altura 5 cm aproximadamente. • Muñeco Tótem de aluminio (pieza fundida previamente) de aproximadamente 11 cm de altura y 5 cm de ancho. • Apisonador: con un extremo cilíndrico y otro plano. • Licopodio: En forma de talco. • Cucharillas de fundición: de dos formas, una puntiaguda para escavar el canal de distribución, liberar modelos y demás, y otra cucharilla de forma redondeada que permitió aplanar las paredes escavadas y brindarle curvatura. • Tamiz: Malla utilizada para cernir la arena, con ella se obtuvieron granos más finos y permitió filtrar las impurezas.
DESARROLLO EXPERIMENTAL
1. Se tomó la caja inferior y se colocó sobre una tabla de madera de manera tal que sus orejas coincidieran con la superficie de la tabla. 2. Una vez allí, se colocan los dos modelos guardando una separación suficiente entre sí y con la caja de moldeo. 3. Se hizo el diseño del sistema de alimentación (pensado antes de colocar la mezcla). 4. Una vez ubicadas las piezas, se agregó talco separador licopodio sobre ellas y sobre toda la tabla, de manera que la mezcla de arena no se adhiriera a las piezas, igualmente que no se adhiriera la mitad inferior del molde con la mitad superior. 5. Luego se procedió a agregar las capas de mezcla de moldeo dentro de la caja, de la siguiente manera: primero una capa de arena previamente cernida, la cual estará en contacto con la pieza para un mejor acabado superficial. Posteriormente se agregó una capa de mezcla de arena no cernida. Luego, con un instrumento apisonador usando el lado cilíndrico de este, se procedió al apisonamiento de la arena luego de agregar cada capa de ella. Al tener listas dichas capas, se agregó una última capa rebosante de la caja, pero esta se apisonó con el cabezal plano del instrumento, que permitió la formación de un montículo apisonado (se destaca que apenas se añadieron las capas de mezcla de arena, antes del apisonado, se eliminaron las impurezas que se consideraron importantes y terrones). 6. Se realizó un apisonado y se volteó de manera que las orejas de la caja ahora quedan hacia arriba, listas para recibir la caja macho.
7. Luego, con una regla metálica rasadora, se limpió la parte superior de la caja eliminando el montículo de arena sobrante al pasar la regla sobre este rasándolo. 8. Se procedió a voltear la caja hembra que contenía la primera parte del molde, de manera que los modelos enterrados quedaran descubiertos. 9. Con un martillo pequeño, se le aplicaron toques técnicos en dos zonas de cada modelo de manera que se aflojaron para poder ser extraídos posteriormente. Con la cuchara filosa, se procedió a liberar las piezas cavando pequeños agujeros en el molde (sólo los necesarios para poder extraer la pieza sin complicaciones), la arena retirada en este proceso debió sacarse del molde también y las paredes restantes debieron ser alisadas con otro instrumento curveado con forma de cucharilla para que la superficie tuviera curvaturas. 10.Se marcó el canal de distribución en forma de Y sobre el molde de la caja hembra de manera que ambas piezas fueran alimentadas equitativamente en todas sus zonas (por ser piezas pequeñas, bastó con diseñar una entrada de alimentación para cada una). 11.Se colocó la caja macho encima de la caja hembra, haciendo coincidir los números, y se repite el procedimiento anterior (desde que se colocan las capas hasta rasar). 12.Luego destapo y en el molde inferior, primero se retiraron las piezas de manera delicada, luego como se escogió un sistema de alimentación en Y, dicha Y representa el distribuidor de colado, la cual con un instrumento de filo se socavó en el molde. 13.En el molde superior (caja macho), abrimos un canal de alimentación o bebedero usando un tubo cilíndrico y un martillo para permitir que este perfore con mayor facilidad el molde. 14.Luego, en el bebedero de la parte posterior del molde, se abrió un vertedero con una inclinación no mayor a 15° y se alisaron sus paredes. 15.Luego cerramos nuevamente la caja haciendo coincidir los lados enumerados y verificamos que estuviera bien cerrada para evitar salida del colado por los lados. 16.La arena sobrante se sopló, no hizo falta voltear el molde para sacudirla. Luego con la parte inferior de la cucharilla se aplanaron los bordes de este distribuidor. 17.Se llenó el crisol con aluminio fundido y se extrajeron las impurezas.
18.Se procedió a realizar la colada en los moldes. 19.Se esperó un tiempo prudencial para proceder al desmontaje de las cajas, de unos pocos minutos. 20.Se separaron las cajas, se quitó la arena y se esperó a que se enfriaran las piezas hasta temperatura ambiente.
RESULTADOS
Figura 1. Pieza de moldeo: Tótem de 11 cm de altura y 5 cm de ancho. Material: Aluminio.
Figura 2. Pieza de moldeo: 11x11 cm de base y de altura 5 cm. Material: Aluminio.
DISCUSIÓN DE RESULTADOS
En la figura 1 se aprecia que hubo penetración en la región de la nariz (no la copió) a consecuencia de una baja resistencia de las paredes del molde, estas cedieron debido a que la mezcla de arena no estuvo lo suficientemente húmeda para que compactara y la fluidez del líquido ocasionó el colapso. Esta falta de compactación condujo a un pobre acabado superficial de casi toda la pieza, como se aprecia en la foto; no posee brillantez y es una figura deforme en algunas zonas. Solo se evidencia brillantez en una zona muy específica de la pieza, debido a un buen acabado superficial. También se aprecia suciedad e incrustaciones debido a la pobre calidad de los granos de la mezcla de arena cernida. Se aprecia claramente una gran rebaba como consecuencia de los siguientes factores: deficiencia del ensamblaje y ausencia de un contrapeso que evitara que la salida de gases y la presión metalostática abrieran la caja. Ello generó el derrame de la colada y una gran rebaba. En la figura 1 y 2 se especifican los resultados obtenidos debido a la acción de ambos factores. Un diseño que incluyera respiraderos en cada cavidad de las piezas hubiese sido ideal para aliviar la presión. La rebaba estuvo asociada a otro error: el canal de alimentación se realizó con mucha prisa y sin mucho cuidado, y por la rigidez y fragilidad de la mezcla, al traspasar el molde con el tubo para hacer el canal, parte de los canales de distribución de colada perdieron su forma y fueron destruidos, dando espacio para la propagación del colado y a la formación de la rebaba. Las cavidades en el molde, a pesar de estar ya deformes, no fueron afectadas por este error. Para el cenicero, e incurrió en un error determinante para nuestra experiencia: al haber apisonado con demasía las capas de mezcla, en el modelo de cenicero, la mezcla de moldeo de la caja superior quedo adherida a la cavidad de dicho cenicero. De haberse dejado de esta manera, el colado hubiese tomado una forma distinta a la requerida, así que se procedió a realizar un procedimiento de reparación (técnicamente inadecuado y no recomendado, pero como último recurso para tratar de obtener los resultados requeridos), el cual consistió en tomar el molde superior y el modelo, y con un puño de mezcla de arena colocarlo sobre el molde y apisonarla con el modelo girado boca abajo, para intentar marcar la forma de la cavidad del cenicero (de allí que no se consiguió que las esquinas de la cavidad tomasen la forma correcta). La arena se quedó pegada de la parte interna del molde ocasionando la ruptura del molde debido principalmente a dos factores: excesivo apisonamiento de la mezcla de arena contra el modelo de cenicero, haciendo que se quedaran pedazos adheridos a la cavidad interna de este y por la selección de una mezcla de arena muy seca para la capa superior cernida obteniéndose poca compactación y baja resistencia de las paredes (a pesar del fuerte apisonamiento), lo que ocasionó el posterior colapso de la forma interna
del cenicero. Se infiere que la gran compactación de las capas de mezcla de arena impidieron la liberación de gases producidos durante el proceso de colado y solidificación del metal, generándose un aumento de presión interna que , junto con los factores ya mencionados, condujeron al colapso de zonas críticas como las esquinas internas del cenicero debido a la penetración como se aprecia en la figura 2, asimismo, aunado a la destrucción del sistema de distribución del colado y a que en la parte superior de la caja no se colocó ningún contrapeso, este aumento de presión causó que las mitades superiores e inferiores no resistieran el ensamblaje y se separaran permitiendo que se dispersara el metal fuera de las cavidades, dando como resultado una gran rebaba como se muestra en la foto. Observando la figura 2, también se aprecia un pobre acabado superficial sobre toda la pieza por su falta de brillantez, la única zona brillante que es donde se colocaría la colilla de un cigarro en el cenicero, fue la única zona con un buen acabado superficial. También se aprecia la solidificación del canal de alimentación y del vertedero.