UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
INFORME DE LABORATORIO N°4 MOLDEO Y COLADA CURSO: PROCESOS DE MANUFACTURA DOCENTE: ING. SALAZAR MAGUIÑA MARCO TULIO Sección: G Alumnos: Alvarez Rosales, Alvarez Palma xxxxxxxxx Ricardo
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2018
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ÍNDICE OBJETIVOS .............................................................. ................................................................................................................................. ................................................................... 4 GENERALIDADES GENERALIDADES ............................................................. ..................................................................................................................... ........................................................ 5 MARCO TEORICO .......................................................................... ...................................................................................................................... ............................................ 5 EQUIPOS Y MATERIALES ........................................................... ...................................................................................................... ........................................... 10 CALCULOS Y RESULTADOS .................................................................. ................................................................................................. ............................... 14 OBSERVACIONES OBSERVACIONES.................................................................................................................... .................................................................................................................... 19 CONCLUSIONES CONCLUSIONES ................................................................. ...................................................................................................................... ..................................................... 19 RECOMENDACIONES RECOMENDACIONES ............................................................................................................. 20 BIBLIOGRAFÍA BIBLIOGRAFÍA......................................................................................................................... ......................................................................................................................... 20
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MOLDEO Y COLADA RESUMEN En este informe se mostrará el proceso de fundición de una pieza, se podrá apreciar los pasos a seguir para su elaboración, los cálculos respectivos y también se mostrará un diseño de la pieza en un software en este caso será el SolidWorks. En la pieza se demoró aproximadamente 13.8 minutos en solidificarse y también un tiempo de 0.6 en llenarse, también se necesitó 367 Kcal y una masa de 1.562 kilogramos de aluminio. Por último, concluimos que la fundición es muy fácil de hacer y se puede elaborar en grandes cantidades debido a su facilidad y no necesita mucho tiempo a elaborar pues como vemos solo se demoró aproximadamente 14 minutos desde el vaciado de la mezcla hasta la solidificación.
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OBJETIVOS El presente informe tiene por objetivos:
Determinar mediante cálculos del bebedero y la mazarota para que nuestra pieza obtenida no presente rechupes entre otros defectos.
Determinar el empuje metalostático y su función para que nuestra pieza obtenida por fundición no presente defectos.
Encontrar la importancia de la fundición como proceso de manufactura en la industria, así como conocer las normas de seguridad que se deben tener en cuenta al realizar procedimientos de fundición.
Mostrar de manera real los defectos que se pueden llegar a tener si no se sigue el procedimiento adecuado, así como también las deformaciones del material, su dilatación que puede llegar a tener respecto al prototipo.
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GENERALIDADES •
Para desarrollar los distintos moldes de la industria de fundición se requieren de materiales que cumplan con las propiedades óptimas.
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Normalmente en el proceso de fundición se emplean las arenas sintéticas. El empleo de las arenas es consecuente de procedimientos y ensayos.
MARCO TEÓRICO 1.- FUNDICIÓN EN ARENA 1.1 Generalidades El trabajar con arena permite trabajar metales con altos puntos de fundición como el acero y el níquel. El proceso general de la fundición en arena comienza con la fabricación del modelo de la pieza a fundir, luego este modelo se coloca entre la arena para generar una cavidad negativa y se ubican los sistemas de alimentación que guiaran el metal fundido hacia las cavidades del molde. Una vez el metal se solidifica al interior de la cavidad, se destruye el molde y se extrae la pieza terminada; si se requiere se puede realizar el proceso de tratamiento térmico a la pieza fundida o realizar los procesos adicionales de acabados y controles necesarios.
1.1.2 Modelos para fundición en arena. Los modelos para fundición en arena serán los encargados de generar la cavidad en la arena para posteriormente fundir el metal en ella. El tamaño de los modelos debe contemplar los valores de contracción del metal fundido y los excesos de material para procesos de maquinados posteriores. La selección del material para el modelo dependerá de factores como: tamaño y forma de la fundición, precisión dimensional y la cantidad de ciclos que se quiera utilizar el modelo. En la siguiente tabla se aprecian características de diferentes materiales para ser usados como modelos. pág. 5
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TABLA N°1. Propiedades de manufactura La superficie del modelo puede ser recubierta por agentes separadores que permitan un fácil desmolde del modelo en la arena.
1.1.3 Clasificación de los Modelos para fundición en arena 1.1.3.1 Modelos de una sola pieza También llamados modelos sólidos, tienen la misma forma que el producto y un extra de material para contrarrestar la contracción del material y los procesos de maquinados posteriores. Se utilizan para piezas simples y producción de bajas cantidades.
1.1.3.2 Modelos divididos. Son modelos en dos piezas donde cada una de las piezas forman cada una de las mitades de la cavidad. El plano donde se parten las piezas del modelo coincide con el plano de partición del molde usado para la fundición. Se obtienen formas más complejas, menores tiempos para el moldeo y mayores cantidades de producción.
1.1.3.3 Placas Modelo. Este procedimiento se utiliza para volúmenes de producción mayores. En este los modelos partidos se adhieren a una placa de acoplamiento; la placa cuenta con guías para lograr hacer coincidir las mitades que harán las cavidades en la arena. En ocasiones las placas modelo cuentan con partes como los sistemas de vaciado, canales o mazarotas.
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1.1.4 Arena . Para los procesos de fundición en arena se utiliza arena de sílice (SiO2), debido a su economía y resistencia a altas temperaturas. Uno de los factores más importantes en la selección de la arena es el tamaño del grano. Los granos finos permiten un mejor acabado superficial de la cavidad y así de la pieza; sin embargo los granos finos reducen la permeabilidad del molde. Para lograr una forma estable y mejorar la resistencia del molde la arena se mezcla de forma homogénea con bentonita la cual funciona como aglutinante. Durante el proceso se tamiza la arena, de tal forma que la arena más fina es la que entra en contacto con el modelo y la arena más gruesa da el cuerpo al molde y permite la salida de gases. También se pueden agregar resinas o aglutinantes orgánicos o inorgánicos a la arena para darle mayor resistencia durante el proceso de fundición.
1.1.5 El molde. Los componentes principales de un molde para fundición en arena son: 1.1 El molde esta soportado por una caja de moldeo: existe un molde superior e inferior, y la unión entre los dos forma la línea de partición. 1.2 El bebedero es el conducto que recibe el metal y lo lleva hacia el interior del molde; el extremo del bebedero tiene forma de cono para facilitar el proceso de verter el metal fundido. 1.3 La mazarota es una cavidad que se llena de metal fundido y suministra el metal adicional necesario para contrarrestar el proceso de contracción durante la solidificación del metal. 1.4 Los canales de llenado llevan el metal fundido desde la mazarota hasta la cavidad del molde. 1.5 Los insertos hechos en arena que permiten generar cavidades huecas dentro de la pieza fundida reciben el nombre de corazones. En ocasiones requieren de sujetadores para permanecer en la posición adecuada durante el proceso de verter el metal líquido. 1.6 Los respiraderos tiene como función permitir el flujo hacia el exterior del aíre y gases que se acumulan durante el proceso de fundición en el interior del molde. Permiten que se realice un buen proceso de llenado de la cavidad. pág. 7
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2.- EMPUJE METALOSTATICO Cuando se realiza la colada, ocurre una serie de acciones como son, la presión ejercida del metal líquido sobre las paredes del molde y los cuerpos ubicados dentro del mismo como son las almas o machos, esto es el empuje metalostático.
c b a
Figura 1. Esquema de la pieza Terminada la colada, cuando el molde esta lleno de metal líquido, se genera en la masa metálica una presión que se ejerce en todas las direcciones, hacia el molde, principalmente sobre la caja superior del molde, como generalmente son las cajas para moldes.
Figura 2. Esquema de la caja de moldeo La presión principal para efectos de diseño, es la que tiende a levantar toda la media caja superior del molde, desprendiéndola de la inferior, si esto ocurriese, se verificaría la aparición de rebaba o el desplazamiento del macho o alma en caso de tenerlo y también la salida del metal, por lo cual la pieza resultaría defectuosa y para evitarlo habría que corregir las dimensiones del molde. En la práctica no nos preocupamos mucho del empuje sobre el fondo, ni sobre las paredes laterales, pero evaluar exactamente la intensidad del empuje metalostático hacia arriba, pág. 8
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es de suma importancia para poder asignar al cierre del molde la solidez necesaria para garantizar la buena fundición de la pieza.
=∗ =∗∗∗(−0.5∗) Donde: E = empuje metalostático = densidad del líquido (gr/cm3) V = volumen de acción
3.- TIEMPO DE SOLIDIFICACIÓN Es el tiempo que tardará la pieza en solidificarse para así poder ser sacada para sus respectivos detalles.
=∗(/)^ : ó = ó = Á =2 () ó (á ) : (/^2) 4.- TIEMPO DE LLENADO
= : () ) = ( = 5.- ENERGÍA CALORÍFICA
=∗[ ∗( −)+ + ∗( −)] ∶∶ í ó ∶∶ ó ∶ pág. 9
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EQUIPOS Y MATERIALES 1. Chatarra de Aluminio: representa la materia prima utilizada para la fundición. Esta comprendido por bloques de aluminio que se fundirán
2. 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.
3. Tabla de moldeo : forma rectangular y adecuada para el tamaño de la caja de moldeo y pieza
4. La caja de moldeo : está hecha de fierro, posee dos mitades con un número en cada una de ellas, al trabajar estos números deben coincidir para que la caja pág. 10
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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.
5. Modelo: la letra “o” será puesta como modelo para fundir 6. Apisonador: con un extremo cilíndrico y otro plano.
7. Grafito: En forma de talco. 8. 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.
9. Tamiz: Malla utilizada para cernir la arena, con ella se obtuvieron granos más finos y permitió filtrar las impurezas. pág. 11
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10. Ductos para bebederos y mazarota .
Procedimiento 1. Se selecciona la caja de acuerdo al tamaño del modelo: Para esto hay que tener en cuenta que la caja debe tener una distancia considerable entre los bordes y el molde que se realizara ya que si esta distancia es muy corta puede ocurrir un desborde al retirar el modelo. 2. Ubicar en la tabla de moldeo la mitad inferior de la caja de moldeo (previamente verificar y/o colocar un indicador para la posición de las asas) 3. Ubicar el modelo (si es entero) o la mitad del modelo (si es partido) en el centro de la caja 4. Cubrir con talco o grafito la superficie del modelo: Esto permite facilidad para el momento de quitar el modelo, además el grafito se puede usar para el final de manera que quede mejor el moldeo. pág. 12
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5. Agregar la arena de contacto (arena tamizada) aproximadamente que tape 5 cm al modelo: La tamizada permite que sea un aplastamiento uniforme para evitar aglomeraciones alrededor del molde. 6. Presionar manualmente la arena con la finalidad de aplicar la propiedad plástica de la arena 7. Llenar la caja con arena de relleno 8. Compactar con los atacadores 9. Enrasar con una regla 10. Voltear la caja y colocar la caja superior 11. Colocar la otra mitad del modelo (si es modelo partido) 12. Ubicar el bebedero y la mazarota en las posiciones elegidas: Para esto hay que tener en cuenta las zonas calientes de los modelos, y el bebedero debe ser escogido de tal manera que el enfriamiento sea uniforme y no haya desperfectos por rechupe. 13. Se procede tal como en la caja inferior 14. Una vez terminado el moldeo, se extraen los ductos del bebedero y mazarotas (si es que estas no son ciegas), se procede hacer la copa del bebedero 15. Abrir la caja, extraer el modelo y colocar el ó las almas si es que las tienen 16. Hacer el conducto de colada y los de las mazarotas 17. Cerrar la caja teniendo cuidado que los indicadores de posición de las cajas coincidan 18. Con las agujas respectivas hacer los orificios para ayudar a la permeabilidad 19. Colocar su caja en la zona de colada 20. Tomar la temperatura de colada 21. Sacar el producto
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CALCULOS Y RESULTADOS CUESTIONARIO 1. Diagrama de operaciones
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2. En un esquema de la caja de moldeo; muestre la ubicación del modelo, de la mazarota, del sistema de alimentación.
Figura 3. Esquema a montar 3. Defectos observados en la pieza en la práctica. A partir de la figura se pueden observar las siguientes fallas: Zonas rugosas en la superficie y también exceso de mezcla en los bordes (ver figura 4). Causa: debido a la baja cohesión de la arena y al mal compactado de la arena. Solución: La solución más adecuada es utilizar otra arena que tenga mayor % de humedad y % de bentonita, lo que le dará mayor cohesión.
Figura 4. Pieza de aluminio elaborada a base de fundición
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4. Presentar el cálculo del diámetro de la mazarota y dimensiones del cuello de la mazarota. Comparar resultados. Nota: Densidad=masa/volumen Calculo de la mazarota: Asumiendo 1 mazarota
410384.2 =5.0 Mmodelo= = 81939. 4 3 Mmazarota= √ 1.5∗= √ 1.5∗8.3097=6.1339 ∗ 4 ∗ = ∗ Mmazarota= mazarota = mazarota 2∗ 4 +∗∗ 2+4 ∗150 Mmazarota=6.246= 2+4∗150 Resolviendo: Diámetro (D)= 26.7214 mm Altura (H)= 150 mm Nota: H se asume como 150mm.
Considerando que las zonas con acabado superficial tienen 2 mm de exceso de material que será retirado por maquinado. Presente un esquema del modelo y de la pieza terminada. El volumen adicional que será retirado por maquinado será:
∗(2 ) = 206146.82 =206146.82 ∗2700 =0.5566 5. Determine la cantidad de material de aluminio que necesita fundir para obtener la pieza correspondiente al modelo utilizado.
Figura 5. Vista de la letra y la mazarota pág. 16
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Figura 6. Propiedades de la fundición (software Solidworks)
Aluminio Densidad=2700 kg/m 3 Se obtienen datos de masa, área y volumen con el programa Solidworks. Como se tiene el volumen se puede calcular la masa a partir de la densidad. Masa de la letra = 1108.04 gramos =1.10804 kilogramos Masa de la letra con mazarota=1562.79 gramos=1.56229kilogramos
Masa total de aluminio =1562.79 gramos 6. Determine la energía térmica (calorías) que se requiere para fundir el volumen de material que necesita. Utilizando la ecuación de energía calorífica visto en el fundamento teórico
(574−20) +93+0.28∗ (627−574) = (1.56279) ∗ 0.23∗=367.66 7. Se utiliza petróleo como combustible, ¿cuántos galones utilizará? Considere la eficiencia de la combustión y el poder calorífico del combustible.
= 367.66 Poder calorífico del petróleo:10.878 kcal/kg pág. 17
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66 = 33.7986 = 367. 10.878 Densidad del petróleo =3.205 kg/gal
= 10.545 = 3.33.2057986 / Se necesitarían 11 galones de petróleo 8. Calcule el tiempo de llenado Utilizando la ecuación de tiempo de llenado visto en el fundamento teórico
=578.624/ = ∗ = ∗^2/4 = 5.6^2 = √ 2 ∗981∗15 = 171.55 / =962.06 ^3/ = 0.6
9. Calcule el tiempo de solidificación Utilizando la ecuación de tiempo de solidificación visto en el fundamento teórico
=0.46∗(578.624/109.366)^2 = 12.87
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OBSERVACIONES
Observamos que en algunas piezas se producen rechupes, porosidades, deformaciones.
Se puede notar también que en algunas cajas no baja el volumen de la mazarota como se había pronosticado.
Los tamices no están en buenas condiciones para lograr el índice de finura adecuado.
CONCLUSIONES
Las piezas sufrieron rechupes pues la ubicación del bebedero y la mazarota no fueron los más adecuados o precisos, así como la cantidad de estos, también salieron ásperos pues el índice de finura de la arena no fue el correcto, tenía porosidades debido a los gases emitidos por aluminio afectaros la superficie del material.
Para obtener una pieza sin defectos se debe hacer un cálculo previo en donde se obtengan los datos del número de mazarotas a usar en el molde de arena, el lugar donde se colocan y el diámetro de estas.
El volumen de la mazarota no descendió debido que en el interior del molde alguna parte seca más rápida que otras partes, esto impidió el paso del volumen reservado en la mazarota. O de otro modo su ubicación no fue la correcta.
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RECOMENDACIONES
Se debe calcular la cantidad de aluminio total a utilizar en el laboratorio para todas las piezas.
Se recomienda realizar los cálculos adecuados para determina la ubicación correcta del bebedero y la mazarota, así como la cantidad de estos, pues de esto dependerá en gran parte para la pieza obtenida sea correcta.
También se recomienda utilizar tamices más finos para que la superficie de la pieza resulte menos áspera.
Es recomendable también realizar una medición adecuada de la pieza si fuese posible cuando esta esté a temperatura ambiente para disminuir los errores de cálculo.
También se recomienda tomar todas las precauciones para evitar accidentes.
BIBLIOGRAFÍA
http://www.arqhys.com/construcciones/analisis-granulometrico-arena.html
http://www.normensand.de/?u_site=12&lang=esp&site=1
http://icc.ucv.cl/geotecnia/03_docencia/02_laboratorio/manual_laboratorio/gran ulometria.pdf
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