3. Tapa 3.1 Descripción General La pieza se trata de la tapa de una bomba de engranajes, la bomba convierte la energía mecánica en energía hidráulica. En la figura 1 se señala la pieza a fundir, cabe mencionar que el modelo a fundir es más complejo que el señalado en la figura 1.
Figura Bomba de engranajes. engranajes. Fuente: Hidraoil (Hidraoil, 2017)
La pieza tiene una geometría complicada debido a la curvatura especial que tiene en su parte superior (Figura 4); así mismo presenta agujeros de diferentes diámetros y un logotipo en forma de D en su parte superior.
Figura Vista superior de la tapa.
Figura Vista inferior de la tapa.
Figura Vista lateral de la tapa, en donde se aprecia la curva.
3.2 Diseño 3D. Lo necesario para realizar el diseño 3D, en cualquier software de diseño, son las medidas, las cuales tienen que ser las más próximas posibles a las reales, por este motivo se vio de carácter obligatorio el uso de un pie de rey (Figura #5).
Figura Pie de rey.
Se decidió usar el software SolidWorks, para el modelado de la pieza, debido a que los miembros del equipo están más familiarizados con dicho software. Con el pie de rey dimensionamos los diámetros de todos los agujeros, la altura de la pieza, el ancho y el largo de la pieza. Lo critico de esta pieza es tomar las medidas de la curvatura superior, debido a lo complejo de esta tarea con un pie de rey, se vio en la necesidad de implementar alguna otra solución para el modelado 3D de la pieza. La primera propuesta fue usar la opción “Cúpula” , en la base de la pieza (Figura #6), en
SolidWorks, lamentablemente no se obtuvo los resultados esperados.
Figura Base de la pieza.
Figura Modelo, luego de usar la operación cúpula.
Debido a los resultados mostrados en la (Figura #7), se optó por realizarlo de otra manera, la cual consistía en trabajar con curvas, para ser especifico se trabajaron 3 curvas, una que pertenece a la base-vista planta (Curva 1), otra que pertenece a la vista lateral (Curva 2) y finalmente otra vista alzada (Curva 3). Para realizar las 3 curvas correctamente se utilizaron las siguientes imágenes:
Figura Curva 1 - Vista planta.
Figura Curva 2 – Vista lateral.
Figura Curva 3 - Vista Alzada
Estas 3 imágenes fueron cargadas en el SolidWorks, con el fin de usarlas como guía, para hacer las 3 curvas que se necesitan para realizar el diseño de la superficie superior (en realidad para realizar la cuarta parte de la superficie superior).
Figura Imágenes cargadas en el SolidWorks.
Figura Curvas generadas con Spline. Luego de conseguir las 3 curvas se procedió a utilizar la operación “Superficie -Recubrir”,
obteniendo la siguiente superficie.
Figura Superficie generada por las 3 curvas.
Figura Superficie generada.
Cuando obtuvimos la superficie superior (la cuarta parte, para ser exactos), se utilizó la operación simetría.
Figura Superficie superior.
Luego de ser generada l a superficie de la tapa, se utilizó la operación de “Extruir saliente/base” con el objetivo de generar la base de la superficie. Finalmente se agregó todos los detalles que tiene la pieza, desde los diferentes agujeros hasta el logotipo (Letra D) en la superficie superior.
El modelo en 3D, quedó de la siguiente manera:
Figura Modelo final vista isométrica..
Figura Modelo final, vista inferior.
Figura Modelo final, vista lateral.
Figura Modelo final, vista de plano alzado.
Figura Modelo final, vista de planta.
Los planos obtenidos a partir de la pieza, son los siguientes:
Figura Planos del modelo final.
Figura Planos de modelo final, vista inferior.
Figura Diferentes diámetros de agujeros de la parte inferior.
Figura Modelo final, vista en el plano alzado.
Figura Modelo final, vista lateral.
Figura Modelo final, vista superior.
3.3 Diseño de risers. Para el calculó de risers (mazarotas), se necesita tener los datos respecto a volumen y área de la pieza, estos datos fueron obtenidos del modelo 3D en SolidWorks, siendo los siguientes.
Figura Propiedades físicas del modelo.
Resultando: Volumen= 273678.11 mm^3 = 16.70 in^3 Área= 42334.16 mm^2 = 65.62 in^2 Criterios de diseño de risers. -
El riser debe solidificar al último, es decir, el tiempo de solidificación del riser debe ser mayor al tiempo de solidificación de la pieza; para este criterio se usará la relación empírica de Chvorinov.
ó = ∗ ( )^2
-
La posición del riser respecto a la pieza, debe cumplir con la base teórica de los sistemas de alimentación. El riser se tiene que eliminar fácilmente de la pieza, una vez terminada la fundición. También se empleará el método de Bishop, el cual utiliza un Factor de Forma (S), para establecer la relación de volúmenes entre el riser y la pieza.
Cálculo de Risers. 1. Sistema de Alimentación. Debido a las dimensiones de la pieza, se le considera como una barra de espesor T= 26.8mm = 1.05512 in
Figura Sistema de alimentación en barras.
Figura Simplificación de la pieza a una barra de dimensiones 150x111.2x26.8 mm.
Debido al agujero en la parte inferior (Figura 3), se recomendó la siguiente posición del riser para su calculó del sistema de alimentación; la flecha roja indica la posición del riser.
Figura Ubicación del riser, debido al agujero inferior.
Verificamos si en dicha posición, es posible la correcta alimentación de toda la pieza. La distancia de alimentación de una barra es:
= 6√ = 6.163 = 156.54 Debido a que 156.54 mm es mayor a los 125 mm, se puede concluir, que la posición donde se supone el riser es la correcta; y no tendrá un efecto adverso a la fundición de la pieza. 2. Método de Bishop (Factor de Forma “S”) Para el factor de formar, la pieza se simplifica como un paralepípedo rectangular, con las siguientes dimensiones: Largo: 150mm = L Ancho: 111.2mm = W Altura: 26.8mm = T
=
+ 150 + 111.2 = = 9.75 26.8
Una vez obtenido el factor de forma, se puede calcular mediante la gráfica la relación entre el volumen del riser y el volumen de la pieza (Vr/Vc).
Figura Grafica de factor de forma vs Vr/Vc
La relación (Vr/Vc) es aproximadamente: 0.38
= 0, 38 3. Por la relación empírica de Chvorinov, se puede deducir que la mejor forma para el riser, es la esférica; pero, debido a que es poco práctico crear el molde de una espera como riser, se utiliza un cilindro el cual tiene la siguiente relación H=1.2D, cabe mencionar que
esta relación entre diámetro y altura del cilindro no es obligatoria, pero para el presente informe si se la empleará.
1.2 ∗ = ∗ = 4 4 = = 273678.11 Según la relación (Vr/Vc) se tiene:
= ∗ 0.38 = 103997.68 1.2 ∗ = = 103997.68 4 = 48 = 57.6 4. El último paso es la verificación de las dimensiones del riser, se vuelve a utilizar la relación empírica de Chvorinov.
ó = ∗ ( )^2 Donde se asume que:
=2
Riser:
(/2) ∗ . = 2 ∗ ( )^2 (/2) + D ∗ H Cabe mencionar que, solo se sumó el área de una sola circunferencia (base superior del cilindro), debido a que, la base inferior del riser está en contacto directo con la pieza.
. = Pieza:
273678.11 . = 2 ∗ ( )^2 42334.16 − (/2) Se tiene que mencionar que al área de la pieza se le resto el área de contacto (entre el riser y la pieza) ver figuras (32,33,34).
. = . Se puede concluir que el riser está bien diseñado debido a que su tiempo de solidificación es mayor que el tiempo de solidificación de la pieza. El diseño final con el riser incluido quedaría de la siguiente manera:
Figura Pieza final más riser.
Figura Forma final de fundición.
Figura Pieza final más riser, vista en "diagonal".
3.4 Método de fundición
El método que se utilizó para la fundición fue el de espuma pérdida, esto debido a que, se quería innovar respecto a anteriores años; además de la facilidad y rapidez con la que se puede mecanizar la espuma.
Figura Fundición por espuma pérdida. Ventajas:
El modelo no necesita removerse. Geometrías complejas y tolerancias estrechas (Fernandez & Martinez, 2007). Tolerancias estrechas (Fernandez & Martinez, 2007) Fácil de mecanizar. Desventajas:
Necesita un modelo nuevo para cada pieza. El tamaño de grano, repercute en la superficie de la pieza.
3.5 Mecanizado Siendo necesario el mecanizado del modelo en espuma, este fue realizado en la fresadora Tormach propiedad del laboratorio de mecánica-UDEP, el desarrollo de los códigos G necesarios para dicha operación fue hecho mediante el programa SolidCam 2017 y el post procesador FANUC por ser este compatible con la Tormach luego de unas pequeñas modificaciones explicadas al final. Primero se explicará el desarrollo de un código completo para una operación (los demás se desarrollaron de manera análoga).
a. Agujeros superiores de mayor diámetro:
Una vez abierta la pieza en el programa SolidWorks se seleccionó el complemento SolidCam, luego la herramienta Fresadora y se pasó a la selección del eje de referencia
ubicado tal como se puede observar en la figura inferior, las dimensiones del stock o materia prima son las que se pueden observar en la parte inferior-izquierda de la imagen. Estas dimensiones parecieron las más apropiadas pues ya se conocía el bloque a mecanizar, además se tuvo en cuenta en calcular un espacio, en el modelo, aproximado de 40 mm en cada costado (eje x) para las agarraderas que sujetarían la pieza durante el mecanizado.
Figura Agujeros superiores - SolidCam.
-Selección y profundidad. Una vez seleccionado el eje de coordenadas y las dimensiones de materia prima, seleccionamos la operación de cajera (pocket) y luego el contorno que deseamos hacer los agujeros, es importante señalar que los contornos escogidos (en este caso los de los agujeros) deben tener la misma profundidad por operación. Una vez seleccionada la geometría (contorno inferior de los agujeros), podemos ver como esta queda marcada en la imagen inferior de la derecha.
Figura SolidCam - operación Pocket.
-Herramienta y profundidad: Una vez seleccionada la geometría deseada, se pasa a seleccionar la herramienta y la profundidad. La herramienta seleccionada es una fresa vertical de 5mm de diámetro para un mejor acabado sin embargo debido al tamaño del agujero la fresa podría haber sido de mayor tamaño 10 mm, por ejemplo, sin embargo, era esencial que fuese vertical por la geometría de los agujeros (una semiesférica, por ejemplo, hubiese dejado pequeños redondeos en el fondo). La profundidad de la cajera es de 11mm, como se puede observar en la imagen inferior.
Figura SolidCam - Configuración de herramientas.
-Simulación: Luego de guardar y calcular, se procede a simular la operación, como se puede observar en la imagen inferior. Una vez comprobado que la simulación no tiene problemas, se procede a generar el código G.
Figura SolidCam - Simulación.
-Código G Una vez terminado la operación se procede a generar el código g. Tal como se muestra en la imagen inferior izquierda. Una vez realizado el código y debido a que se usa el post procesador FANUC, deben ser retiradas las líneas de código que se encuentran seleccionadas en la imagen inferior de la derecha (esta operación se debe repetir con todos los códigos generados). Los demás códigos G se anexan al final de este informe Dependiendo de la materia prima con la que se trabaje, se debería modificar o agregar algunas operaciones de careado, pero el orden sugerido de las operaciones seria La parte superior:
caracurvasuperiorfinal, agujeros grandes, D. La parte inferior:
careado, agujerosgrandesextremos, agujerograndecentral,agujerosdeextremos, perfilado.
Se debe tener cuidado en cuanto a la profundidad del perfilado final, pues podría superar la profundidad del material y hacer que este se desprenda antes de terminar toda la operación, además de la profundidad de las operaciones de careado también podrían variar o ser innecesarias según la geometría de su materia prima.
Figura SolidCam - Generación de código G.
En la siguiente imagen se puede observar lo que sucederia si no se hubiese ocultado los agujeros del modelo y hubiese tratado de realizar la operación HSS para la cara curva. Es de suma importancia para este modelo tenerlo en cuenta por diversos motivos , entre ellos el hecho que luego para hacer los agujeros , las salientes que se pueden observar podrian causar que con el movimiento de la herramienta se estropee el modelo, ademas aun si los agujeros fuesen hechos antes , laherramienta haria saltos inecearios para evitar estos espacios , perdiendo tiempo del mecanizado, entre otras cosas.
Figura SolidCam – Operación HSS.
Se muestra el modelo finalmente mecanizado junto con su respectivo Riser, el cual fue mecanizado en el torno, sin embargo, su proceso de mecanizado fue directamente hecho en la maquinada de torneado.
Figura Modelo en espuma.
3.6 Fundición a. Caja Luego de haber tamizado correctamente la arena y humedecido hasta que se mantenga la forma moldeada, se procedió primero a poner una capa de aproximadamente una pulgada de profundidad en el fondo de la caja. Luego, se empezó a introducir y compactar arena, dentro de los agujeros del modelo con el fin de asegurar un mejor acabado final de la pieza. Esto se puede observar incluso al terminar la solidificación en la pieza pues aún conserva la arena dentro de los respectivos agujeros. Lo mismo se hizo con la D y el agujero inferior.
Figura Caja de fundición.
Una vez terminado de compactar la arena en los agujeros, se procedió a depositar boca abajo el modelo en la capa de arena anterior y asegurarse de que la arena cubra en su totalidad y de manera compacta al modelo, y al Riser hasta el borde. Por último, se procedió a realizar cuatro respiraderos con una varilla, alrededor de la pieza. Y fue vertido el aluminio líquido, se esperó un tiempo de aproximadamente 6 min para luego con la ayuda de unas pinzas retirar la pieza y ser lavada, debido a la aún muy alta temperatura del aluminio todo esto fue hecho con suma precaución.
Figura Pieza Fundida
3.7 Resultados Se puede observar que, aunque en general la forma de la pieza se ha conservado, la misma presenta muchas irregularidades debidas principalmente a dos factores.
Figura Cara superior de la pieza fundida. a. Exceso de agua:
Debido a esto los gases de solidificación expulsados no pudieron atravesar correctamente las paredes que rodeaban al modelo pues a más agua esta se vuelve más impermeable.
Figura Riser de la pieza fundida.
b. Grano grueso:
Ya que no se disponía de otro material se optó por usar un Tecnopor de grano grueso, sin embargo, uno de grano menor hubiese permitido una mejor maquinabilidad del modelo y por ende un mejor acabado. 3.8 Sugerencias
Es muy recomendable tener antes las dimensiones del material disponible a mecanizar, de esta manera se puede realizar una mejor simulación de la materia prima en el programa SolidCam, de igual forma que se puede programar mejor alguna operación de careado necesaria. La caja hecha en el SolidCam (STOCK) se recomienda que siempre sea de mayores dimensiones a las dadas por el programa pues esto asegura que si el material real sigue las dimensiones dadas en la simulación se eviten errores como ¿?¿?¿? Es de suma importancia usar la menor cantidad de agua posible, solamente la necesaria para que la arena mantenga la forma moldeada, alrededor del 7 – 9%. Se recomienda que se genere un código por separado para cada operación debido a que: -Evita la presencia de la línea de código G43. -Permite un mejor orden en cuanto a operaciones a realizar y desistir de usar operaciones innecesarias para la materia prima con la que se trabaja, como un careado. - En el caso de desear modificar una operación, facilita mucho el trabajo al no tener que buscar entre una cola de código más larga de lo necesario por operación.
La preparación de la arena es muy importante para el proceso de fundición, debido a que, sí luego de la evaporación de la espuma (tecnopor), la arena no está suficientemente compactada esta sedera y dañara el acabado superficial de la pieza; esto se puede ver en nuestra pieza en la parte superior (Logotipo D).
