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En la fundición , un modelo es una réplica del objeto que se va a fundir. Se utiliza para formar la cavidad del molde de arena en la que se vierte el metal fundido durante el proceso. Una vez que el modelo se ha utilizado para formar la cavidad del molde de arena, se retira y se vierte el metal fundido para obtener la pieza fundida. El modelo no se consume y puede reutilizarse para producir más moldes de arena prácticamente de forma indefinida.
Debido a que casi todos los metales se contraen o encogen al bajar su temperatura, los modelos de fundición deben ser de mayor tamaño que la pieza fundida que producirán. Por ejemplo, la contracción de la fundición de aluminio es de aproximadamente un 1,3 %, por lo que el modelo para una pieza de aluminio fundido se haría un 1,3 % más grande que la pieza fundida en sí. [ 1 ] [ 2 ]
Los modelos utilizados en la fundición en arena pueden estar hechos de madera, metal, plástico u otros materiales. Los modelos se fabrican siguiendo estándares de construcción rigurosos, de modo que puedan durar un tiempo razonable, según el grado de calidad del modelo que se esté construyendo, y para que proporcionen de forma repetible una pieza fundida con dimensiones aceptables. [ 3 ]
Patronaje
La creación de patrones, denominada modelado (a veces llamada patronaje o simplemente modelado ), es un oficio especializado relacionado con la fabricación de herramientas y matrices y la fabricación de moldes , pero que también suele incorporar elementos de la ebanistería fina . Los modelistas (a veces llamados patronistas o simplemente modeladores ) adquieren sus habilidades mediante aprendizajes y escuelas de formación profesional a lo largo de muchos años de experiencia. Si bien un ingeniero puede colaborar en el diseño del patrón, generalmente es el modelista quien lo ejecuta. [ 4 ]
Materiales utilizados
Por lo general, los materiales utilizados para la fabricación de patrones son madera, metal o plástico. También se utilizan cera y yeso , pero solo para aplicaciones especializadas. La madera de pino azucarero es el material más común para los patrones, principalmente porque es blanda, ligera y fácil de trabajar. La caoba de Honduras se utilizaba para piezas de mayor producción porque es más dura y dura más que el pino. Una vez curada correctamente, es tan estable como cualquier otra madera disponible, sin deformarse ni curvarse. Una vez construido el patrón, la fundición no desea que cambie de forma. La auténtica caoba de Honduras es más difícil de encontrar ahora debido a la devastación de las selvas tropicales, por lo que actualmente se comercializan diversas maderas como caoba . Los patrones de fibra de vidrio y plástico han ganado popularidad en los últimos años porque son impermeables y muy duraderos. Los patrones de metal son duraderos y no se ven afectados por la humedad, pero son más pesados, más caros y más difíciles de reparar una vez dañados. [ 5 ]
Los modelos de cera se utilizan en un proceso de fundición alternativo llamado fundición a la cera perdida . Para ello se emplea una combinación de cera de parafina , cera de abejas y cera de carnauba . En este caso, el modelo de cera se funde en la cavidad del molde, que normalmente es un material rígido similar al yeso en lugar de arena, por lo que el modelo de cera solo se puede utilizar una vez. [ 5 ]
El yeso de París se usa habitualmente para hacer matrices y moldes maestros, ya que adquiere dureza rápidamente y es muy flexible durante la fase de fraguado. [ 5 ]
Diseño
Bebederos, compuertas, mazarotas, núcleos y enfriadores
El modelista o ingeniero de fundición decide la ubicación de los bebederos , sistemas de alimentación y mazarotas con respecto al modelo. Si se desea un orificio en la pieza fundida, se puede utilizar un macho que define un volumen o ubicación donde el metal no fluirá. A veces, se colocan enfriadores sobre la superficie del modelo antes del moldeo, los cuales se integran al molde de arena. Los enfriadores son disipadores de calor que permiten un enfriamiento rápido y localizado. Este enfriamiento rápido puede ser necesario para refinar la estructura del grano o determinar la secuencia de solidificación del metal fundido que se vierte en el molde. Debido a que se encuentran a una temperatura mucho más baja, y a menudo son de un metal diferente al que se vierte, no se adhieren a la pieza fundida cuando esta se enfría. Los enfriadores se pueden recuperar y reutilizar.
El diseño del sistema de alimentación y compuertas se suele denominar diseño de métodos . Puede realizarse manualmente, de forma interactiva mediante software CAD de propósito general o de forma semiautomática mediante software especializado (como AutoCAST ).
Tipos de patrones
Los diseños están hechos de madera, metal, cerámica o plásticos duros y varían en complejidad.
Un patrón de una sola pieza, o patrón suelto, es el más sencillo. Es una réplica de la pieza fundida deseada, generalmente de un tamaño ligeramente mayor para compensar la contracción del metal. Los patrones con bebederos conectan varios patrones sueltos mediante una serie de canales que se desacoplarán tras el desmoldeo. Los patrones segmentados o de varias piezas crean una pieza fundida en varias partes que se unirán en el posprocesamiento.
Los patrones de placa de unión son patrones cuyas partes superior e inferior, también conocidas como parte superior e inferior, se montan en lados opuestos de una placa. Esta adaptación permite moldear los patrones rápidamente a partir del material de moldeo. Una técnica similar, denominada patrón de parte superior e inferior, se utiliza a menudo para piezas fundidas grandes o series de producción extensas: en esta variante, los dos lados del patrón se montan en placas de patrón separadas que se pueden conectar a máquinas horizontales o verticales y moldear con el material de moldeo. Cuando las líneas de separación entre la parte superior e inferior son irregulares, se puede utilizar una placa de soporte para sostener patrones sueltos de forma irregular.
Los patrones de barrido se utilizan para moldes simétricos, que son formas contorneadas que giran alrededor de un eje central o polo a través del material de moldeo. Un patrón de barrido es una forma de patrón esqueleto: cualquier patrón geométrico que crea un molde al moverse a través del material de moldeo.
El patrón de esqueleto se utiliza cuando la estructura completa de madera o metal es costosa. Generalmente se fabrica con algunas partes sin rellenar, las cuales se cubren con arena o arcilla. Se utiliza una tabla de raspado para retirar el exceso de arcilla de las juntas. Ejemplos: carcasas de turbinas, codos de tuberías de agua y alcantarillado, cuerpos de válvulas y cajas.
Subsidios
Para compensar cualquier cambio dimensional que ocurra durante el proceso de enfriamiento (sólido), generalmente se hacen ajustes en el patrón. [ 6 ]
Contracción por líquidos
Casi todos los metales se contraen volumétricamente durante la solidificación, lo que se conoce como contracción líquida. Dicho de otro modo, casi todos los metales experimentan un aumento de volumen al fundirse o alcanzar la temperatura de liquidus. La contracción volumétrica típica oscila entre el 3,5 % y el 10,0 %, dependiendo de la aleación. Algunas fundiciones grafitosas, cuando se funden en secciones más gruesas, bajo condiciones bien controladas, pueden presentar un ligero aumento de rendimiento. El metal tipo también es conocido y utilizado por su capacidad para mantener una fundición precisa y nítida, y conservar las dimensiones correctas tras el enfriamiento. Normalmente, al fabricar piezas fundidas de ingeniería, el método se diseña junto con el modelo, incluyendo el tamaño, el número y la ubicación de los bebederos. Además, los bebederos de bajada, las barras de distribución y las entradas también se diseñan en el método. De este modo, el método garantiza que el metal fundido se suministre correctamente, que el molde se llene adecuadamente y que los bebederos se llenen para alimentar la fundición con el volumen de líquido que se contrae durante la solidificación. Este método lo realiza un ingeniero de métodos, que puede ser un modelista (con formación adicional), un ingeniero de fundición o un metalúrgico familiarizado con el concepto de aumento/pérdida de volumen asociado a la fusión y la fundición/solidificación. Ejemplo: Supongamos que el acero tiene una densidad de 7,85 (sólido) y una contracción del 6%, o mejor dicho, un aumento de volumen del 6% cuando está fundido. Se ha fabricado un molde para fundir un bloque de 100 kg, basándose en la densidad del acero sólido. La densidad del acero líquido es solo el 94% de su valor de densidad sólida, aproximadamente 7,38 cuando está líquido. Por lo tanto, cuando el bloque de 100 kg (cálculo sólido) se llena con líquido, contiene una masa de solo 94 kg. Los 6 kg restantes deben suministrarse desde una mazarota o alimentador durante la solidificación, por lo que el objeto sólido ahora tiene una masa de 100 kg. El método es un sistema para gestionar la pérdida de volumen durante la solidificación. Esto (técnicamente) no es una tolerancia.
Este tamaño adicional que se indica en el patrón para la contracción del metal se denomina "margen de contracción". Estos valores suelen estar entre el 0,6 % y el 2,5 %. Esto se tiene en cuenta mediante una regla de contracción , que es una regla de sobredimensionamiento . Las reglas de contracción suelen estar disponibles para las aleaciones comunes fundidas industrialmente. Alternativamente, el modelista simplemente añadirá un porcentaje determinado a todas las dimensiones. Un ejemplo de este margen: si se requiere un casquillo de 1500 mm de diámetro exterior, 1000 mm de diámetro interior y 300 mm de altura utilizando una regla de contracción del 2 %: el modelista haría el patrón de 1530 mm de diámetro exterior (ya que se contraerá hacia adentro), 1020 mm de diámetro interior (ya que el material tiende a contraerse hacia el centro o centro de gravedad); es importante tener en cuenta que el margen se añade incluso al diámetro interior, ya que el material tiende a contactar hacia el centro. [ 7 ] El núcleo utilizado está hecho de arena colapsable o se le proporciona suficiente espacio hueco en el centro para permitir la expansión del metal. Finalmente, la dimensión de altura sería de 306 mm.
La cantidad de contracción también puede variar ligeramente según el sistema de arena utilizado para el molde y los machos, por ejemplo, arena aglutinada con arcilla, arenas aglutinadas químicamente u otros materiales aglutinantes. Los valores exactos pueden variar entre distintas fundiciones debido a los sistemas de arena empleados. Cada fundición, al medir sus propios modelos y piezas fundidas, puede ajustar sus tolerancias de contracción.
La contracción y la retracción se pueden clasificar en contracción líquida y contracción sólida . La contracción líquida es la reducción de volumen durante el proceso de solidificación (de líquido a sólido) y se compensa mediante mazarotas. La contracción sólida es la reducción de dimensiones durante el enfriamiento del metal fundido (sólido). La compensación por contracción solo considera la contracción sólida.
asignación de borrador
Al retirar el modelo del molde de arena, existe la posibilidad de que los bordes se rompan o se dañen durante el proceso. Para evitarlo, se le da al modelo una conicidad que facilita su extracción del molde y, por lo tanto, reduce los daños en los bordes. El ángulo de conicidad se denomina ángulo de desmoldeo . El valor del ángulo de desmoldeo depende de la complejidad del modelo, el tipo de moldeo (manual o mecánico), la altura de la superficie, etc. El desmoldeo en la pieza fundida suele ser de 1 a 3 grados en las superficies externas (de 5 a 8 grados en las superficies internas). [ 7 ]
Margen de acabado o mecanizado
El acabado superficial obtenido en las piezas fundidas en arena suele ser deficiente (con imprecisiones dimensionales), por lo que, en muchos casos, el producto fundido se somete a procesos de mecanizado como torneado o rectificado para mejorar dicho acabado. Durante estos procesos, se elimina parte del metal de la pieza. Para compensar esto, se debe añadir un margen de mecanizado (material adicional, a veces denominado material verde) a la pieza fundida. [ 7 ] La cantidad de margen de acabado depende del material de la pieza fundida, su tamaño, el volumen de producción, el método de moldeo, etc.
Permiso para agitar
Generalmente, al retirar el modelo de la cavidad del molde, este se enrolla alrededor de todas las caras para facilitar su extracción. En este proceso, la cavidad final se agranda. Para compensar esto, es necesario reducir las dimensiones del modelo. No existen valores estándar para esta tolerancia, ya que depende en gran medida del operario. Esta tolerancia es negativa, y una forma común de sortearla es aumentar la tolerancia de desmoldeo. La vibración del modelo provoca un agrandamiento de la cavidad del molde y da como resultado una pieza fundida de mayor tamaño. [ 7 ]
Margen de distorsión
Durante el enfriamiento del molde, las tensiones desarrolladas en el metal sólido pueden inducir distorsiones en la pieza fundida. Esto es más evidente cuando el molde es más delgado en ancho que en largo. Esto se puede eliminar distorsionando inicialmente el patrón en la dirección opuesta. [ 8 ]
Demanda
Los modelos siguen siendo necesarios para la fundición en arena de metales. Para la producción de hierro gris, hierro dúctil y acero, la fundición en arena sigue siendo el proceso más utilizado. En el caso de la fundición de aluminio, la fundición en arena representa aproximadamente el 12 % del tonelaje total en peso (solo superada por la fundición a presión con un 57 % y los moldes semipermanentes y permanentes con un 19 %; según los envíos de 2006). El proceso exacto y el equipo de modelado siempre se determinan en función de las cantidades del pedido y el diseño de la pieza fundida. La fundición en arena puede producir desde una sola pieza hasta un millón de copias.
Si bien las modalidades de fabricación aditiva, como SLS o SLM, tienen el potencial de reemplazar la fundición en algunas situaciones de producción, esta última aún está lejos de ser completamente sustituida. Dondequiera que ofrezca propiedades de material adecuadas a un costo unitario competitivo , seguirá teniendo demanda.
Referencias
- ↑ Bawa, HS (2004). Procesos de fabricación – I. Tata McGraw-Hill. págs. 1–12 . ISBN 978-0-07-058372-6.
- ↑ Ammen, CW (1999). Fundición de metales . McGraw-Hill Professional. págs. 159–176 . ISBN 978-0-07-134246-9.
- ↑ "Tipos de patrones utilizados en el proceso de fundición - Ingeniería mecánica" .
- ↑ Shelly, Joseph Atkinson (1920). Patternmaking: A treatise on the construction and application of patterns, including the use of woodworking tools, the art of joinery, wood turning, and various methods of building patterns and core-boxes of different types . Nueva York: Industrial Press. pp. 2-5 et seq .
Los tipos comunes de patrones son:
1) Patrón de pieza única 2) Patrón de pieza dividida 3) Patrón de pieza suelta 4) Patrón de compuerta 5) Patrón de coincidencia 6) Patrón de barrido 7) Patrón de corte y arrastre 8) Patrón de esqueleto 9) Patrón de concha 10) Patrón de seguimiento de tablero 11) Patrón segmentado
- ^ Radhakrishna , K (2011) . Proceso de fabricación - 1 . Bangalore: Casa del libro Sapna. pag. 20.ISBN 978-81-280-0207-6.
- ↑ Praveen, Kestoor (2011). Proceso de fabricación - 1. Bangalore: Star – tech education. pág. 16.
- 1 2 3 4 Rao, PN (2003). Tecnología de fabricación . Nueva Delhi: Tata McGraw-Hill. pág. 68. ISBN 0-07-463180-2.
- ↑Error de cita: La referencia con nombre
M.Neerajfue invocada pero nunca definida (consulte la página de ayuda ).
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