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Microsoft Word - Tesina N.DOCUNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
PARA FUNDICIÓN
PRESENTAN:
AVENDAÑO GARRIDO HÉCTOR MIGUEL DE LA LUZ HERNÁNDEZ MARTÍN LEÓN
DOMÍNGUEZ ERIKA SARAÍ
RAMOS FLORES RICARDO
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
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CAPITULO I 7 FUNDAMENTOS DE FUNDICIÓN EN ARENA
1.1 Introducción a la fundición 8 1.2 Hierros colados 10 1.2.1
Clasificación de los hierros colados 11 1.2.2 Propiedades del
hierro gris 15 1.2.3 Efectos de los elementos de aleación 17 1.3
Tipos de arenas 18 1.4 Moldeo de arena en verde 21 1.5 Aglutinantes
22
CAPITULO II MODELOS DE FUNDICIÓN 26
2.1 Modelos para fundición 27 2.2 Materiales para la construcción
de modelos 28 2.3 Tipos de modelos 30 2.4 Fabricación de corazones
36 2.5 Consideraciones del proyecto 40 2.6 Defectos de fundición
54
CAPITULO III DISEÑO Y FABRICACIÓN 59
3.1 Metodología 60 3.2 Diseño de la pieza 61 3.3 Diseño del modelo
63 3.4 Dibujos del moldeo 66 3.5 Cálculos del sinfín lo 69 3.6
Fabricación del molde 73
Conclusiones 74 Bibliografía 75
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JUSTIFICACIÓN
Se realiza éste proyecto, ya que en el mercado existe una gran
variedad de piezas hechas por fundición, Se buscara una mayor
calidad a un mejor precio, y que su funcionamiento sea mucho mejor,
con ello evitaremos la importación y mejoraremos el mercado
mexicano.
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INTRODUCCIÓN
En la industria la fundición es muy importante para construir
máquinas e infinidad de piezas en distintos tamaños y formas, para
ello se desarrollan conocimientos técnicos tan diversos como son el
dibujo industrial, la mecánica de los cuerpos sólidos y fluidos. En
este proyecto buscamos encontrar nuevos criterios para diseñar
modelos, incluyendo software y programas para este, conocer algunos
procesos de fundición utilizando moldes permanentes y moldes
desechables, logrando con ello rapidez, eficiencia, calidad y
economía en los modelos para fundición.
Un modelo para fundición es el elemento que sirve para la obtención
de los moldes de arena. Estos se logran cuando la arena se comprime
alrededor del modelo y ambos están dentro de una caja de moldeo.
Cuando se termina de compactar la arena se extrae el modelo y
después de cerrar el molde, se vacía el metal líquido para que
llene las cavidades del mismo. Los modelos deben estar bien
diseñados a fin de evitar dificultades de moldeo, o bien desecho
por excentricidades, formación de grietas y otros defectos más. Los
defectos anteriores pueden evitarse si se prevén las formas
adecuadas de los modelos para facilitar el moldeo.
Este proyecto consiste en obtener una pieza metálica a través del
vaciado de metal en un molde, el proyecto abarcará todos los
aspectos fundamentales para la fundición en arena, desde la
selección de la pieza hasta la fundición y desmolde de la misma.
Desarrollaremos métodos de prueba, enfocándonos a la fundición en
arena, y realizando un modelo de una pieza específica.
Se investigarán todos y cada uno de los aspectos que intervengan en
este tipo de modelos, desde los más sencillos hasta los más
complejos, para poder obtener una pieza con mejor calidad y tener
un resultado favorable.
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En este proyecto hablaremos sobre algunos temas como son:
Introducción a la fundición Propiedades del hierro colado Arena
Mezcla de arena Fabricación del molde Fabricación de corazones
Calculo de mazarotas Ángulos de salida Normas de diseño Ajustes y
tolerancias Molde terminado
La pieza a diseñar es un TORNILLO DE BANCO. Se espera mejorar con
esto la calidad del producto y el servicio.
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1.1 INTRODUCCIÓN A LA FUNDICIÓN.
La obtención de piezas metálicas a través del vaciado de metal
fundido en un molde, se le conoce como proceso de fundición. En
base al metal fundido, las fundiciones se clasifican como
sigue:
a) Fundiciones de Hierro.
Hierro Gris.- Hierro con alto contenido de carbón. Hierro Blanco.-
Hierro con medio contenido de carbón. Hierro Dúctil.- Hierro con
grafito esferoidal. Aleaciones de hierro gris.- Hierro más
elementos aleados. Hierro Maleable.- Hierro blanco recocido con
grafito en forma nodular.
b) Fundición de Acero
Acero al carbón.- Aleaciones de hierro con cantidades bajas de
carbón. Aceros aleados.- Aceros con algunos elementos de aleación
especiales.
c) Fundición de metales no ferrosos.
Bronce y Latón.- Aleaciones con metal base el cobre más otros
elementos de aleación. Aluminio y aleaciones.- Aleaciones con metal
base el aluminio más otros elementos de aleación. Magnesio y
aleaciones.- Aleaciones con metal base el magnesio más otros
elementos de aleación.
Por el método de moldeo empleado, las fundiciones se clasifican
en:
a) Fundición a la arena (Sand casting)
Proceso de moldeo cuyo principal componente es arena sílica, que se
utiliza para hacer el molde; el metal vaciado en el molde de arena
una vez que solidifica, se obtiene las piezas fundidas.
b) Fundición en molde permanente (Permanent mold – casting)
Los moldes permanentes son de acero o fundidos en hierro y son
usadas para recibir el metal fundido.
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c) Fundición a Presión (Die – casting)
El metal fundido es vaciado bajo presión en un molde
metálico.
d) Fundición por revestimiento (Investment – casting)
Proceso a veces conocido como “a la cera perdida” o fundición de
precisión, en el cual, se utiliza un modelo desechable de cera,
plástico o mercurio congelado, revestido de material refractario,
cuando el metal se vacía sobre el modelo, se expulsa o
volatiza.
e) Proceso de molde lleno (Full – mold process)
Técnica de moldeo donde se utiliza un modelo de polietileno que se
moldea en arena y sin extraerlo se vacía el metal fundido y se va
gasificando en cuanto hace contacto el metal.
f) Fundición centrifuga (Centrifugal – casting)
El metal se vacía en un molde de arena o metálico el cual gira
sobre su eje vertical u horizontal.
DEPARTAMENTOS DE UNA PLANTA DE FUNDICIÓN.
Sección de moldeo.- Es la sección donde se realiza la fabricación
de los moldes, los cuales pueden ser fabricados según la necesidad,
como sigue:
Arena en Verde Arena Seca Moldes con “Pintura” Moldes en “Cáscara”
(shell)
A su vez el moldeo se puede realizar en piso, en banco o con
máquina de moldeo. La fabricación de corazones o formas de arena
insertadas para el moldeo de cavidades internas de la pieza también
se realizan en la sección de moldeo. Los corazones pueden ser
preparados con arena aglutinadas con aceite, arena aglutinada con
silicato, o arena aglutinada con resinas termofraguantes.
Algunos corazones requieren ser cocidos y almacenados, para hacer
usados en periodos de tiempo relativamente cortos.
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Sección de Fusión.- Para la fusión de metales se utilizan,
diferentes tipos de hornos como son:
El horno de cubilote para hierros y aleaciones de hierro. Hornos
eléctricos para la producción de aceros. Hornos de Crisol para la
producción de metales no ferrosos. Hornos de Aire o reverbédero
para producir aceros.
Sección de Limpieza.- es donde se eliminan las alimentaciones y
mazarotas de las piezas para después remover la arena de la
superficie con diferentes métodos, ya sea en forma manual o por
golpeteo o por chorro abrasivo.
Departamento de Control de Calidad.- es el responsable de verificar
la composición química del metal, así como controlar que las
propiedades físicas sean mantenidas dentro de límites estándar. Se
comprueban también las dimensiones de la pieza fundida, así sus
acabados.
Se inspecciona que las piezas se encuentren libres de defectos y en
su caso realizar inspecciones por técnicas no destructivas, a fin
de garantizar la calidad de la pieza.
1.2 HIERROS COLADOS
Los hierros colados ó fundiciones los podemos obtener en hornos
eléctricos ó hornos de cubilote, partiendo del arrabio (sólido)
obtenido en un alto horno, chatarra sólida de acero,
ferroaleaciones (FeSi, FeMn, etc.), retorno de piezas y
coladas.
Los hierros colados, son aleaciones de hierro y carbono y silicio,
manganeso, fósforo, azufre, etc. y su contenido de carbono es de 2
a 4.5 %, adquiriendo su forma definitiva directamente por colada,
no siendo nunca los hierros sometidos a procesos de formación
plástica ni en frío ni en caliente. En general no son dúctiles ni
maleables y no pueden forjarse ni laminarse.
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1.2.1 CLASIFICACIÓN DE LOS HIERROS COLADOS
El mejor método para clasificar el hierro es de acuerdo con su
estructura metalografíca. Las variables a considerar que dan lugar
a los diferentes tipos de hierro son: El contenido de carbono, el
contenido de aleación y de impurezas, la rapidez de enfriamiento
durante o después de la solidificación y el tratamiento térmico
después de fundirse. Estas variables controlan la condición del
carbono y también su forma física. El carbono puede estar combinado
en forma de carburo de hierro en la cementita, o existir como
carbono sin combinar (o libre) en forma de grafito.
La forma y distribución de las partículas de carbono sin combinar
influirá grandemente en las propiedades físicas del hierro.
Los hierros se pueden clasificar como siguen:
Hierro blanco
Es aquel en la cual el carbono se encuentra combinado con el
hierro, formando el carburo de hierro (Fe3C), llamado cementita,
siendo esta cementita muy dura pero muy frágil.
Composición química.
Carbono 1.80 a 3.20% Silicio 0.50 a 1.90% Manganeso 0.25 a 0.80%
Azufre 0.06% máx. Fósforo 0.06% máx.
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La fundición blanca o hierro, como consecuencia de la presencia de
cementita, posee alta dureza, es frágil y prácticamente no se
somete a la elaboración por corte. Por eso, este hierro tiene una
aplicación muy limitada.
Figura 1. Micro estructura de un hierro blanco fundido:
a). Las áreas oscuras son dendritas primarias de austenita
transformada (perlita) en una red blanca interdendrita de
cementita, 20X
b). La misma muestra a 250X, que muestra perlita (oscura) y
cementita (blanca). Atacada con Nital al 2%.
Hierro maleable.
Es aquel en la cual se obtiene a partir de un hierro blanco por
medio de un tratamiento térmico (recocido), obteniéndose una
estructura de nódulo irregular. La presencia del carburo de hierro
(cementita) es realmente una fase metaestable. Hay una tendencia a
que la cementita se descomponga el hierro y carbono, pero en
condiciones normales tiende a persistir indefinidamente en su forma
original.
Hasta este punto, la cementita se ha tratado como una fase estable;
sin embargo, esta tendencia a formar carbono sin combinar es la
base para manufacturar hierro maleable.
La reacción Fe3C 3Fe + C es favorecida por altas temperaturas, la
existencia de impurezas sólidas no metálicas, mayores contenidos de
carbono y la presencia de elementos que ayudan a descompones al Fe3
- C.
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Los hierros blancos adecuados para la conversión a hierro maleable
pueden ser como sigue:
Fundición blanca Europea. Fundición blanca Americana.
Carbono 2.50 a 3.0% Carbono 2.00 a 2.75% Silicio 0.50 a 1.25%
Silicio 0.50 a 1.20% Manganeso 0.40 a 0.60% Manganeso 0.40 a 0.60%
Azufre 0.06% máx. Azufre 0.06% máx. Fósforo 0.06% máx. Fósforo
0.06% máx.
En la primera etapa de recocido, el hierro blanco se calienta
lentamente a una temperatura de 1650 a 1750ºC. Durante el
calentamiento, la perlita se convierte austenita en la línea
inferior crítica. La austenita así formada disuelve alguna
cementita adicional conforme se calienta a la temperatura de
recocido.
Figura No. 2. Cambio de micro estructuras como fundición del ciclo
de maleabilización que
origina carbono revenido en una matriz ferrítica.
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Figura 3. a). Hierro maleable, sin estar atacado químicamente. Los
nódulos irregulares de grafito se llaman carbono revenido (100
X).
b). Hierro ferrificó maleable, carbón revenido (negro) en una
matriz ferrítica. Atacado químicamente en nital al 5%, 100X
Hierro gris
Es uno de los materiales ferrosos más empleados, su nombre se debe
a la apariencia de sus superficies al romperse. Esta aleación
ferrosa contiene en general más de 2% de carbono y más de 1% de
silicio, además de manganeso, fósforo y azufre. Una característica
distintiva del hierro gris es que el carbono se encuentra en
general como grafito, adoptando formas irregulares descritas como
“hojuelas”, este grafito es el que da la típica coloración gris a
las superficies de ruptura de las piezas elaboradas con este
material.
Estas aleaciones solidifican formando primero austenita primaria.
La apariencia inicial de carbono combinado está en la cementita que
resulta de la reacción eutéctica a 2065ºF.
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El proceso de grafitización es ayudado por el alto contenido de
carbono, la alta temperatura y la adecuada cantidad de elementos de
grafitización, sobre todo el silicio, ver figura 4.
Durante el enfriamiento continuado, hay precipitaciones adicionales
de carbono debido al decremento en solubilidad de carbono en
austenita, el cual se precipita como grafito o como cementita
proeutectoide que grafitiza rápidamente. La figura 9, nos muestra
una microestructura de hierro fundido gris con matriz.
NOTA: En este proyecto utilizaremos las aleaciones de hierro gris,
a continuación mencionaremos sus propiedades por las cuales
utilizamos este material.
1.2.2 PROPIEDADES DEL HIERRO GRIS
La mayoría de estos hierros grises son aleaciones hipoeutécticas
que contienen aproximadamente la siguiente composición:
Carbono 2.30 a 3.40% Silicio 2.00 a 2.20% Manganeso 0.60 a 0.65%
Azufre 0.06% máx. Fósforo 0.60% máx.
Figura 4. Hojuelas de grafito en una matriz en un hierro gris. Sin
atacar a 100X
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El empleo de los hierros colados en piezas para sus usos muy
diversos, ofrecen las siguientes ventajas:
1. La piezas de hierro colado son en general mas baratas que las de
acero (es el material que más se utiliza en los talleres y fabricas
de maquinaria, motores, etc.) y su fabricación es también mas
sencilla por emplearse instalaciones menos costosas y realizarse la
fusión a temperaturas relativamente poco elevadas y más bajas que
las que corresponden al acero.
2. Los hierros colados son en general mucho más fáciles de
mecanizar que los aceros.
3. Se pueden fabricar con relativa facilidad piezas de grandes
dimensiones y también piezas pequeñas y complicadas, que se pueden
obtener con gran precisión de formas y medidas, siendo además en
ellas mucho menos frecuente la aparición de zonas porosas que en
las piezas fabricadas con acero.
4. Para numerosos elementos de motores, maquinaria, etc., son
suficientes las características mecánicas que poseen los hierros.
Su resistencia a la compresión es muy elevada (50 a 100 kg/mm2) y
su resistencia a la tensión (puede variar de 12 a 90 kg/mm2) es
también aceptable para muchas aplicaciones. Tienen buena
resistencia al desgaste y absorben muy bien (mucho mejor que el
acero), las vibraciones de maquinas, motores, etc., a que a veces
están sometidas.
5. Su fabricación exige menos precauciones que la del acero y, sin
necesidad de conocimientos técnicos muy especiales, se llegan a
obtener hierros con características muy aceptables para numerosas
aplicaciones.
6. Como las temperaturas de fusión de los hierros son, como se ha
dicho antes, bastante bajas, se pueden sobrepasar con bastante
facilidad, por lo que en general suele ser bastante fácil conseguir
que los hierros en estado líquido tengan fluidez, y con ello se
facilita la fabricación de piezas de poco espesor. En la
solidificación presentan menos contracción que los aceros y además
su fabricación no exige como la de los aceros, el empleo de
refractarios relativamente especiales de precio elevado.
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Manganeso.
El manganeso es un estabilizador de carburos que tiende a
incrementar la cantidad de carbono combinado, pero es mucho menos
potente que el azufre. Si el manganeso está presente en la cantidad
correcta para formar sulfuro de manganeso, su efecto será reducir
la proporción de carbono combinado eliminando el efecto del
azufre.
El exceso de manganeso tiene poco efecto en la solidificación y
sólo retarda débilmente la grafitización primaria; sin embargo,
sobre la grafitización eutectoide, el manganeso es un fuerte
estabilizador de carburo. El manganeso afina el grano, aumenta la
maquinabilidad, su resistencia mecánica y su resistencia a la
corrosión de álcalis.
Fósforo.
Casi en todos los hierros grises el contenido de fósforo es de 0.10
a 0.90% y es originario del mineral de hierro. La mayor parte del
fósforo se combina con el hierro para formar fosfuro de hierro (Fe
P), el cual constituye un eutéctico ternario con la cementita y la
austenita (perlita a temperatura ambiente). El eutéctico primario
se conoce como esteadita y es una característica normal en la
microestructura de los hierros fundidos. Esta esteadita es
relativamente frágil y con alto contenido de fósforo, en tanto que
las áreas de esteadita tienden a formar una red continua,
delineando las dendritas primarias de austenita.
La condición reduce la tenacidad y hace frágil al hierro fundido,
de manera que el contenido de fósforo debe controlarse
cuidadosamente para obtener propiedades mecánicas óptimas.El
proceso de grafitización y la micro estructura de la fundición, se
puede determinar por dos factores fundamentales:
1. La velocidad de enfriamiento de la fundición. 2. Composición
química (sobre todo el silicio).
Azufre.
Regularmente los hierros grises comerciales contienen contenidos de
azufre entre 0.06 a 0.12%. El efecto del azufre sobre la forma de
carbono es el contrario que el del silicio. A mayor contenido de
azufre, mayor será la cantidad de carbono combinado, teniendo de
esta manera a producir un hierro blanco duro y frágil.
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Aparte de producir carbón combinado, el azufre tiende a reaccionar
con el hierro para formar sulfuro de hierro (FeS). Este compuesto
de baja fusión presenta delgadas capas interdendríticas y aumenta
la posibilidad de que haya fisuras a altas temperaturas (fragilidad
al rojo). El azufre en grandes cantidades tiende a reducir la
fluidez y suele causar cavidades (aire atrapado) en las piezas
fundidas.
Silicio.
Baja su punto de fusión, afina el grano, aumenta su resistencia
mecánica, a la corrosión, el calor, su plasticidad y proporción de
carbono en estado libre.
NOTA.
El silicio desempeña distintos propósitos además: Parte del silicio
es agregado durante la carga en el horno, actuando como
desoxidante, pero lo más importante del silicio es que hace una
gran reacción del grafito, para limitar las posibilidades de
endurecimiento y cristalización de las superficies del hierro
chilled (enfriado y templado superficialmente).
1.3 TIPOS DE ARENA
ARENA. Es un material granular, resultante de la desintegración de
las rocas; el término se refiere al tamaño del grano y no a la
composición mineral. El diámetro de los granos puede variar entre
0.05 a 2.0 mm (6a 270 mallas). La mayoría de las arenas de
fundición se componen básicamente de cuarzo y sílice. Las arenas
utilizadas en el moldeo en verde se pueden clasificar de la
siguiente en:
Arenas naturales.
Es la obtenida directamente de depósitos naturales debido a la
alteración de rocas feldespáticas caracterizadas por la materia
arcillosa que envuelve a los granos de arena. Las arenas naturales
normalmente contienen altos porcentajes de arcilla entre 5 a 20%
que no es refractaria.
También se caracterizan por las grandes cantidades de finos que
aumentan con su uso en la fundición, lo que provoca un aumento en
la cantidad de agua para su preparación, disminuyendo la
permeabilidad y punto de fusión de la arena.
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Una arena natural puede contener cantidades variables de otras
tantas impurezas. Las sustancias o materiales que contienen
principalmente son:
Carbonatos de calcio y/o magnesio. Oxido de fierro. Mica. Sales de
sodio y potasio.
Arenas sintéticas.
Las arenas sintéticas son aquellas que para propósitos de fundición
se mezclan enriqueciéndolas con diferentes aditivos y/o
aglutinantes especiales, con los que se les imparten mejores
propiedades de plasticidad, moldeabilidad y resistencia a la
temperatura, ya que por naturaleza se encuentran libres de arcilla
y de materias orgánicas.
Una de las ventajas de estas arenas sintéticas con respecto a las
arenas naturales es que son más económicas, presentan mayor
uniformidad en el tamaño y distribución del grano, por lo cual
pueden controlarse más eficientemente. También tienen una mayor
permeabilidad en los moldes los moldes pueden apisonarse más
fuertemente, reduciendo el problema de arrastre de arena, fracturas
y otros defectos asociados con los aprietes flojos, así como el
poder de obtener piezas dentro de márgenes más estrechos de
exactitud en lo que respecta a dimensiones del modelo.
Las arenas sintéticas tienen más alta refractariedad, por lo cual
se obtienen piezas más limpias y permite elevar a altas
temperaturas el metal para el vaciado de piezas con espesores
pequeños. Las arenas sintéticas son más durables y económicas,
porque para reacondicionarse el sistema se requiere adiciones bajas
de aglutinantes, siendo posible un control más estrecho y
disminuyendo así la posibilidad de rechazar una pieza. Así mismo,
para clasificar las arenas se consideran varios factores. Una
primera clasificación puede basarse en su contenido de arcilla y en
el se distinguen cuatro grupos:
1. Arenas arcillosas o tierras grasas, cuyo contenido de arcillas
es superior al 18%. 2. Arenas semigrasas, cuyo contenido de arcilla
va del 8 a 18%. 3. Arenas magras, cuyo contenido de arcilla va del
5 al 8%. 4. Arenas silíceas o sintéticas, cuyo contenido de arcilla
es inferior al 5%.
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Una segunda clasificación puede hacerse según la forma del grano;
Ver siguientes figuras:
1. Arena de grano esferoidal o redondo. 2. Arena de grano angular.
3. Arena de grano compuesto.
PROPIEDADES DE LÃS ARENAS.
Las propiedades de las arenas pueden clasificarse en dos tipos: La
primera de ellas, considera los caracteres estructurales de las
arenas y la segunda, las propiedades técnicas de las mismas.
Entonces podemos decir:
1. PROPIEDADES ESTRUCTURALES.
- Análisis químicos. - Contenido arcilloso. - Dimensión de los
granos y su distribución - Forma de los granos.
2. PROPIEDADES TECNICAS.
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1.4 MOLDEO DE ARENA EN VERDE
Se denomina moldeo en verde cuando el estado de la arena en el
molde contiene una húmeda relativa en toda su masa.
Las ventajas de este moldeo son:
- Es un procedimiento sencillo. - Se obtiene un enfriamiento rápido
de la pieza. - La impresión de la cavidad se obtiene con relativa
precisión.
Los problemas comunes son:
- La poca resistencia del molde - No tiene resistencia en la
erosión. - Existe un templado superficial en las piezas
(perjudicial para el maquinado) - Requiere de mano de obra
calificada.
MOLDEO EN VERDE CON SECADO SUPERFICIAL
Es la operación del moldeo en verde pero además se realiza un
secado en las caras de contacto a fuego directo.
Las ventajas de este moldeo son:
- Vaciar piezas mas pesadas, debido a un aumento en la resistencia
del molde.
- Se evita el templado superficial en buena medida. - Se mejora el
acabado superficial.
MOLDEO EN VERDE Y SECADO COMPLETO.
El secado completo de un molde en verde se logra haciendo pasar el
molde en hornos de secado en tiempos preestablecidos.
Las ventajas son:
- Se obtiene la mayor resistencia del molde. - La calidad de gases
a evacuar es mínima. - No hay templado superficial en las piezas y
se facilita el maquinado. - Se obtiene un buen acabado
superficial.
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Sus desventajas son.
- Es un procedimiento lento. - Se eleva el costo de fabricación. -
Debido a su alta resistencia, impide la libre contracción del
material.
En general resulta ser más económico utilizar el tipo de arena en
verde ya que no requiere del uso de una estufa de secado que
consumirá gas o energía eléctrica e implicará más horas de proceso,
por lo cuál resulta propicio para la producción de grandes lotes de
moldes; pero no todo tipo de pieza podrá ser producida bajo este
sistema, principalmente para aquellas de gran peso, pues puede
causar una serie de defectos que podrían originar el rechazo de la
pieza. Cabe mencionar que no toda la arena que integra el molde
requerirá de un cuidado o control estricto, por lo cuál se tiene
otra clasificación según su clasificación en el moldeo:
Arenas de cara o de careo. Arenas de relleno. Arenas para
corazones.
1.5 AGLUTINANTES
Un aglutinante se define como un material que tiene la propiedad de
unir los granos de arena para proporcionarles resistencia.
Las arenas sintéticas solas no podrían utilizarse para propósitos
de moldeado, por lo que las arenas de fundición son en verdad
mezcladas de tres o más ingredientes básicos que proporcionan las
propiedades de resistencia y plasticidad que requiere para ser
moldeables; además se le agregan otros materiales para impartirles
propiedades adicionales de que carece la arena sola, necesarias
para el buen comportamiento en su utilización. Los aglutinantes
utilizados en las mezclas para corazones, son similares en los
utilizados en las mezclas para moldeo. A continuación se exponen
los más importantes tipos de aglutinantes utilizados en la
fundición.
Bentonita sódica.
Es un aglomerante inorgánico cuya finalidad es, fundamentalmente,
ligar o unir la arena del sistema en verde, para elevar la
resistencia a la compresión en verde, en seco y en caliente; para
prevenir la erosión y el corte y para permitir la expansión de la
arena sílica.
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Esta constituida principalmente de minerales mormorilloníticos. Los
efectos sobre las propiedades mecánicas son:
- Resistencia a la compresión en verde Aumenta. - Resistencia a la
compresión en seco Aumenta. - Resistencia a la compresión en
caliente Aumenta.
Análisis químico típico.
SiO2 60-62% Al2O3 21-23% Fe2O3 3.4% Na2O 2.5-2.7% MgO 0.5-1.5% K O2
0.4-0.45% H2O contenido (en la mezcla) 5.0-9.0%
Bentonita cálcica.
Es un aglomerante mineral que se utiliza fundamentalmente para unir
ó ligar la arena del sistema, para elevar la resistencia a la
compresión en verde y moderadamente en seco y en caliente.
Proporciona alta resistencia en verde y baja en seco y en caliente;
promueve mejor la fluidez que la bentonita sódica.
Y tiene los siguientes efectos:
- Resistencia a la compresión en verde Aumenta - Resistencia a la
compresión en seco Aumenta - Resistencia a la compresión en
caliente Aumenta
Analisis químico típico.
SiO2 56.0-59.0% Al2O3 18.0-21.0
Fe2O3 5.4-9.1% MgO 3.0-3.3% CaO 1.2-3.5% Na2 O 0.34-4.6% H2 O
contenida (en la mezcla) 5.0-8.0%
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Dextrina.
Es una goma de carbohidratos soluble y que sirve como aglomerado,
en seco, de compuestos para fundición y cuya finalidad es la de
reducir la fragilidad y el desmoronamiento en mezclas de arena para
moldeo. Aumenta la resistencia a la compresión en verde, mejora la
dureza superficial. Tiene efecto sobre:
Resistencia a la compresión en seco Aumenta Resistencia a la
compresión en caliente No cambia Resistencia a la compresión en
verde No varía Resistencia al corte en seco Aumenta
OBSERVACIONES.
- Disminuye la fluidez de la arena si se usa en exceso. - Disminuye
el castrado (formación de costras). - Aumenta la tersura del
material. - Origina en la arena que ésta se una más. - Se usa de
0.12 a 1.5% en peso. - Reduce el secado fuera del molde. - Cuida el
ablandamiento por humedad atmosférica. - El total de gases
producidos es variable. - La dextrina soluble emigra hacia el
exterior de la orilla del material, produciendo una alta dureza
sobre la superficie de la arena. - Endurece dentro de sacos si se
almacena en un lugar húmedo.
Análisis químico típico.
Humedad 3.6% Agua soluble 98.0% Azúcar reducida (como dextrosa)
4.0%
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Harina de maíz.
Es un cereal ligado altamente gelatinoso, que es producto de un
proceso de molienda de maíz en estado seco y que se usa como
aditivo para moldeo de arena en verde y mezclas de careo Disminuye
el abollamiento, la cola de rata (grieta), las costras y la
erosión. Aumenta la deformación en verde, y tiene efecto:
Resistencia a la compresión en verde Aumenta Resistencia a la
compresión en seco Aumenta
Resistencia a la compresión en caliente Aumenta arriba de 260ºC y
disminuye a 1371 - 1403ºC.
OBSERVACIONES.
- Aumenta la deformación en verde en un 0 a 2%, sin cambio en la
resistencia en verde.
- Disminuye la rebaba y las costras. - Aumenta la demanda de gases,
se usa de 0.4 a 1.3% en peso en arenas de careo. - Aumenta la
tenacidad y la plasticidad. De secado rápido en horno, alta
absorción a la humedad. - Aumenta el pandeo y las propiedades en
general de las mezclas en corazones. - Aumenta el desmoronamiento.
- Reduce el porcentaje de secado en ausencia de arcilla refractaria
y bentonita en las
ligas con arena.
Análisis químico típico:
Humedad 4.0 a 9.0% Ceniza 0.3 a 0.5% Agua soluble 10.0 a 27.5%
Dextrina 18.0 a 24.0%
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MODELOS PARA FUNDICIÓN 27
2.1 MODELOS PARA FUNDICIÓN
Los modelos son herramientas principales de la que se valen los
fundidores para hacer las piezas coladas. Aun cuando se desee hacer
una sola pieza, será necesario contar con un modelo al cual en la
generalidad de las veces será útil para fabricar una mayor cantidad
de piezas. El contar con un modelo apropiado se convierte por lo
anterior, en la primera etapa de la elaboración de piezas
coladas.
Puede definirse un modelo como una replica de la pieza que se desea
obtener. Al diseñador hay que tener en cuenta la disminución de las
dimensiones ocasionadas por la contracción de la pieza al
enfriarse, la rugosidad de las superficies por la calidad de la
arena y los alojamientos para los corazones. Los pesos de los
modelos pueden variar entre unos granos y 50 ó 60 ton. De ahí que
los tamaños de los modelos son muy variados.
Figura No. 5
Figuro No. 6
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2.2 MATERIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN DE MODELOS
El número de piezas a realizarse con un modelo determinará el
criterio de selección del material del mismo, que puede ser madera,
metal, poli estireno, plástico, resina epóxica, cera o bien
mercurio congelado. Sin duda que la vida útil del modelo y su
precisión son factores que influyen también para la selección del
material. Para moldear 10 veces o más, con un mismo modelo conviene
hacerlo metálico (de aluminio o aleaciones de aluminio) que
resisten mas el desgaste. Puede fabricarse también de bronce o de
hierro gris ya que a veces el desgaste es excesivo cuando se tienen
que calentar, como en el caso del modelo en cáscara.
Maderas:
Se tienen dos tipos de maderas:
Duras: Maple, Encino y Ébano Blandas: Pino blanco, cedro, caoba y
abeto
La utilización de cada uno de estos tipos de maderas esta en
función de la cantidad de piezas que se fabricarán con el modelo.
Las maderas duras tienen una magnífica resistencia a la abrasión,
sin embargo como inconvenientes se tienen su fragilidad y la
dificultad para ser trabajadas. Toda madera que se emplee para la
fabricación de modelos, deberá estar perfectamente sazonada o
estofada y almacenarse para impedir la reabsorción de agua.
Es extremadamente importante mantener la humedad en la madera, es
un valor bajo y constante para impedir el alabeo, el hinchamiento y
las costosas reparaciones que tengan que hacerse a los modelos,
durante su uso y aún antes, en lo que toca a corrección
dimensional. Los modelos sueltos son generalmente de construcción
de madera. Las placas modelo se construyen en ocasiones de modelos
de madera, montados en una placa metálica o en otras completamente
de madera, aun cuando lo mas recomendable es hacerlas completamente
de metal. Los modelos maestros si son hechos generalmente de
madera.
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Metales
Los metales más usuales en la fabricación de modelos son: Hierro
colado, bronce, aluminio y magnesio; en ocasiones se utilizan
también aleaciones plomo-bismuto. Considerándose el sistema de
moldeo en verde, a máquina y dependiendo del tipo de aleación en el
metal, se tienen las siguientes cantidades prácticas del número de
moldes que pueden hacerse a partir de modelos de diferentes
metales, sin que estos sufran deformaciones que excedan del 0.010
pulg.
Hierro colado 90,000 a 140,000 moldes Bronce 70,000 a 120,000
moldes Aluminio 40,000 a 110,000 moldes Magnesio 50,000 a 70,000
moldes Compuestos más de 110,000 moldes
Considerando las cifras antes mencionadas, se recomienda la
utilización del hierro colado por su resistencia a la abrasión, a
la deformación y alojamiento. Por lo que respecta al aluminio,
existe una variedad grande de aleaciones de este metal que puedan
utilizarse para fabricar modelos que son el duraluminio, alto
silicio, etc.
Plásticos
Los más usuales en la fabricación de modelos son las resinas
epóxicas y la resina poliéster reforzada con fibra de vidrio. Otros
son los plásticos acrílicos, el polietileno, el estireno, el
acetato. La resistencia a los agentes químicos, su moldeabilidad y
propiedades a la abrasión hacen de la fibra de vidrio y de las
resinas epóxicas un material muy adecuado para la fabricación de
modelos. Algunos modelos hechos con esta resinas resisten hasta
40,000 moldeadas sin presentar alteraciones dimensiónales.
Otros
Se tienen materiales como la cera, el yeso, el concreto
refractario, el barro y el más moderno la espuma plástica. El uso
de cada uno de estos materiales es bastante específicos y depende
del tipo, tamaño y de la cantidad de piezas por hacerse.
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MODELOS PARA FUNDICIÓN 30
2.3 TIPOS DE MODELOS
Existen varios tipos de modelos los cuales se utilizan, dependiendo
de los requerimientos en cuanto al tipo, tamaño y peso de la pieza
a fabricar, el volumen de producción, la fundición y las
facilidades de fabricación:
Modelos sueltos. Modelos sueltos con sistema de colada incorporada.
Modelos placa modelo. Modelos especiales Modelo con caja de
corazones.
MODELOS SUELTOS.
Pueden considerarse a este tipo de modelos con acoplamiento simple
de las piezas a fabricarse en las cuales se han incorporado las
tolerancias y las plantillas de los corazones. Cuando se utilizan
este tipo de modelos la línea de partición del molde debe hacerse a
mano. El sistema de coladas y alimentación también se hace a mano y
finalmente la separación de modelo y molde se efectúa también
manualmente teniendo necesidad de aflojar previamente el modelo
para poder separarlo del molde, consecuentemente en ese momento se
tiene una variación dimensional. Aún cuando la utilización de este
tipo de modelo es cosa común en nuestro medio, en la mayoría de los
casos podría eliminarse su utilización, ya que la producción de
moldes que se obtiene es baja y costosa. Ver figura 7.
Fig. 7
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MODELOS SUELTOS CON SISTEMA DE COLADA INCORPORADO.
Son una mejora de los modelos simples, ya que siendo el sistema de
colada parte del modelo, elimina la necesidad del trabajo a mano
para hacer dicho sistema. Con este tipo de modelos se obtiene una
más rápida elaboración de moldes para pequeñas cantidades de
piezas. Ver figura 8.
Fig. 8
CONSIDERACIONES SOBRE LOS TIPOS DE MODELOS 1 Y 2.
En piezas coladas de forma sencilla tales como bloques tales como
bloques rectangulares, cilíndricos para bujes, etc., es posible
tener modelos con una
Superficie plana en la parte superior y por lo tanto con una línea
recta de partición en la junta entre las partes superior e inferior
del molde.
Las peculiaridad de diseño de algunas piezas hacen imposible tener
una superficie de partición plana y así los modelos que se utilizan
para hacer los moldes requieren la utilización de tarimas o camas
especiales de madera, aluminio o de arena.
Cuando se requiere hacer una cantidad considerable de piezas con
modelos de línea de partición irregular, es ventajoso tener el
modelo hecho en dos partes, partiendo en una superficie plana para
facilitar el moldeo.
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MODELOS PARA FUNDICIÓN 32
La parte superior y la inferior se unen exactamente con pernos ya
sea de madera o de metal. Un modelo del tipo mencionado, requiere
más tiempo y más dinero para su fabricación, pero el costo
adicional se justifica por el ahorro obtenido en el tiempo de
elaboración de los modelos.
MODELOS PLACA MODELO
La producción de cantidades grandes de piezas pequeñas, requiere el
uso de este tipo de modelos. En estos la parte superior y la parte
inferior del modelo están montadas en los lados opuestos de una
placa de metal o de madera que siguen la línea de partición. Las
placas modelo también se hacen de una sola pieza, caso en el cual
tanto la placa como los modelos se hacen colados en moldes de arena
o de yeso, en este caso se llaman placas modelo integrales. El
sistema de colada generalmente va incorporado en la misma placa.
Placa modelo generalmente se utilizan en máquinas de moldeo para
obtener máxima velocidad de fabricación aún cuando en ocasiones son
susceptibles de ser utilizados en bancos de moldeo con pizonetas
manuales.
El costo de fabricación de estas placas modelo de justifica por el
aumento en la producción y la obtención de mayor exactitud
dimensionalmente en las piezas coladas. Una importante limitación
en la utilización de este sistema es el peso del molde que puede
ser manejado por el moldeador, que oscila entre 40 a 50 kg, ver
figura 9 y 10:
Fig. 9
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PLACAS SUPERIOR E INFERIOR
Consisten en modelos de la parte superior e inferior de la pieza
montados en diferentes piezas. Así las mitades inferior y superior
de los moldes pueden ser elaboradas al mismo tiempo por diferentes
trabajadores y/o en diferentes máquinas. El moldeo de piezas
coladas medianas o grandes con la utilización de máquinas de moldeo
se facilita bastante con este tipo de equipo de modelos. La
fabricación de placas modelo separadas superior e inferior es la
más costosa, pero usualmente se justifica por el aumento
considerable de producción y la facilidad de fabricación de piezas
grandes que no pueden manejarse con el equipo de placas modelo.
Figura 11
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La fabricación de moldes mediante el uso de placas separadas
requiere un alineamiento exacto de las dos mitades por medio de
guías, bujes y pernos de localización para asegurarse de obtenerse
piezas no variadas.
MODELOS ESPECIALES
Cuando los tipos de modelos mencionados anteriormente, no son
aplicables existe la necesidad de recurrir a modelos
especiales.
a). Para piezas muy grandes se utilizan los modelos esqueleto o
linternas. Este tipo se usa para moldes grandes hechos manualmente
en su mayoría.
b). Otro tipo especial de modelos son las tarrajas las cuales se
utilizan para fabricar moldes de piezas simétricas.
c). Modelos maestros. Son modelos generalmente hechos de madera,
los cuales son utilizados para hacer los modelos para alta
producción. Se pueden colar varios modelos para producción hechos
con el modelo maestro y montar esos modelos en las placas
correspondientes después de haberlos acabado a sus dimensiones
apropiadas. En la manufactura de un modelo maestro deben
incorporarse ciertas tolerancias tales como la conocida doble
contracción.
Figura 11. Placa modelo de aluminio para altas producciones.
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CAJAS DE CORAZONES
Aún cuando en ocasiones no se les clasifique como modelos, las
cajas de corazón son una parte esencial del equipo de modelos para
elaborar una pieza que requiera corazones. Las cajas de corazones
se construyen de madera y de metal (hierro gris). El plástico no
tiene mucha aplicación, la caja mas sencilla se muestra en la
figura, hecha de una sola pieza y el corazón de elaboración
sencilla. Figura. 11 y 12.
Fig. 11
Figura 12. Caja modelo sencillo de madera de dos piezas.
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Suelen hacerse cajas de corazones múltiples para alta producción y
cajas complicadas con paredes móviles para corazones difíciles. Los
corazones que no tienen ninguna superficie plana requieren equipo
especial para su manufactura tal como los secadores que son placas
usualmente metálicas que siguen la conformación del corazón y lo
soportan para poder sacarlo de la caja de corazones y
posteriormente someterlo al proceso de endurecimiento por cocción o
curado, y así evitar su deformación.
2.4 FABRICACIÓN DE CORAZONES
El corazón o macho es toda aquella porción del molde preparada por
separado y que el objeto de crear un hueco al insertarse en el
molde.
El corazón es una sección costosa del molde, ya que hay que
utilizar siempre una nueva arena para controlar mejor sus
propiedades, tales como: resistencia al choque con el metal al ser
vertido en el molde, resistencia a la abrasión, permeabilidad
colapsibilidad o desmoronado, resistencia a las altas temperaturas
(refractariedad) y elasticidad (para permitir la libre contracción
de metal solidificante). Los corazones van colocados en el molde
sobre unas plantillas de apoyo, a fin de evitar movimientos del
corazón durante el vaciado del metal líquido al interior del
molde.
La fabricación de los corazones, que puede ser bajo varios
procesos, es una operación importante y decisiva para la obtención
de una pieza con las propiedades y características deseadas, por lo
que debe controlarse muy de cerca su elaboración.
Para elaborar un corazón existen varias formas, entre las comunes,
están los siguientes:
a). Utilizando cajas de corazones.
Estas cajas pueden ser de madera, metálica o de plástico, son
secciones acoplables por medio de espigas de unión, en cuya parte
hueca se apisona la arena, pudiéndose utilizar armaduras de
refuerzos o varillas para aumentar la rigidez y resistencia del
corazón. Para su extracción de este se quitan las mordazas de
sujeción de las secciones que componen la caja corazón y por medio
de un mecanismo vibratorio a base de ligeras percusiones sobre la
caja se origina una holgura a fin de separar las dos secciones y
desmoldar el corazón fabricado, colocando éste sobre una placa de
secado.
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MODELOS PARA FUNDICIÓN 37
Estas cajas pueden ser para elaborar un corazón o varios de acuerdo
al número de impresiones con que ésta cuenta, ver la figura
13:
b). Utilizando máquinas de compresión neumática o máquinas
sopladoras.
Este es un sistema rapidísimo y sirve para grandes producciones de
corazones en serie; se emplea arena sílica aglomerada, la caja de
corazón es generalmente metálica y cuenta con canales especiales
para dar salida al aire. El relleno y la compresión de la arena se
realizan en pocos segundos mediante la inyección de la arena por
medio de aire comprimido en la caja de corazones, que es apretada
automáticamente por medio de las mordazas accionada neumáticamente
o mecánicamente, por el cabezal soplante y se inyecta la
arena.
c). Corazones al aceite (oil core).
Este proceso es el más común en las fundiciones pequeñas y medianas
ya que además de ajustarse a todo tipo de metal por vaciar requiere
poca inversión en equipo pero al mismo tiempo origina el uso de
mucha mano de obra. Este proceso implica el uso de aceites (de
linaza o de tipo vegetal) para la preparación de la mezcla de arena
que conformará el corazón.
Figura 13 La figura muestra una caja modelo de madera
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MODELOS PARA FUNDICIÓN 38
Todo corazón fabricado bajo este proceso requerirá estufarse a una
temperatura de 400 a 500ºC para que la mezcla de arena-aceite
fragüe, de tal forma que adquiera las propiedades deseadas; tal
operación puede llevarse a cabo en una estufa eléctrica o de gas.
Este tipo de corazones no pueden ser almacenados más de una semana
ya que requerirán ser secados nuevamente por el hecho de que
absorben humedad del medio ambiente, por lo que se recomienda sean
utilizados lo más rápido posible después de ser elaborados.
d). Corazones a base de silicato de sodio y bióxido carbono
(proceso CO2).
Este proceso requiere del silicato de sodio o vidrio salubre. La
arena que se utiliza puede ser de cualquier granulometría y la
cantidad de silicato de sodio, en porcentaje con respecto al peso
de la carga de arena, varía del 2 al 6%. El tiempo de mezclado del
silicato de sodio y arena es aproximadamente de 5 minutos.
El corazón se obtiene colocando la mezcla de arena y silicato de
sodio en la caja corazón, se apisona y se hacen unos vientos o
respiraderos con un alambre o una varilla, de acuerdo al tamaño del
corazón para que sea inyectado el bióxido de carbono (CO2) y
reaccione con el silicato de sodio, para que se endurezca o fragüe
el corazón, mediante la siguiente reacción:
Na2SiO + H2O + CO ________ NaCO + SiO + H2O
Este tipo de corazón tiene el inconveniente que absorbe aún mayor
cantidad de humedad del medio ambiente que los corazones de aceite,
implicando hacer uso de ellos en forma inmediata ya que de otra
forma originarán defectos en la pieza por el contenido de agua
absorbida durante su almacenamiento.
e). Corazones en cáscara (Shell-Molding).
Este proceso deriva su nombre del empleo de moldes ó corazones
delgados en forma de cáscara ó concha. Comparando este proceso con
los demás procedimientos, presenta las siguientes ventajas:
- Máxima libertad en la configuración de piezas. - Gran exactitud
con respecto a los demás métodos de fundición. - Posibilidad de
aplicación en casi todas las aleaciones técnicamente en material
del
molde y las condiciones en fundición. - Se suprime la rebaba a lo
largo de las juntas de separación entre moldes.
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Figura 14. Diseño de un modelo de fundición
1. Contrapeso 2. Cubeta 3. Caja de molde 4. Bebedero 5. Corazón 6.
Tobera 7. Mazarota
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De acuerdo a este principio y analizando 4 cuerpos geométricos
diferentes a un mismo volumen, los tiempos de solidificación son
los mostrados en la tabla.
TIEMPOS DE ENFRIAMIENTO DE DIFERENTES CUERPOS GEOMÉTRICOS
CUERPO ESFERA CILINDRO CUBO PRISMA RECT.
VOLUMEN (V) 1000000 1000000 1000000 1000000 ÁREA (A) 48300 55700
60000 70000
V/A 20.6 17.9 16.7 14.28 (V/A) 424.3 320.4 278.9 203.9
K 0.021 0.021 0.021 0.021 TS 8.9 6.72 5.85 4.28
Tabla No. 1 Tiempos de enfriamiento de diferentes cuerpo
2.5 CONSIDERACIONES DEL PROYECTO.
Un buen modelo de fundición debe cumplir con los siguientes
requisitos:
ÁNGULOS DE EXTRACCIÓN.
Al tener preparado el molde es necesario abrirlo en 2 o más partes
para poder extraer el modelo, para lo cual es necesario que este
tenga en todas sus caras normales a la línea de partición, una
inclinación que permita su extracción, sin que el modelo arrastre
arena consigo. Para determinar el ángulo de extracción βde los
modelos, se recomiendan los valores que se dan en la tabla. Ver
figuras No. 15 y No. 16.
Figura No. 14
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ALTURA DEL MODELO ÁNGULOS DE SALIDA Y PENDIENTES
De 1 a 10 mm 3° De 11 a 20 mm 2° De 21 a 35 mm 1° De 36 a 65 mm 0°
45’
De 66 a 150 mm 0° 30’ De 151 a 250 mm 1.5 mm De 251 a 400 mm 2.5 mm
De 401 a 600 mm 3.5 mm De 601 a 800 mm 4.5 mm
De 801 a 1000 mm 5.5 mm
Tabla No. 2 Ángulos de salida y pendientes
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CONTRACCIÓN METÁLICA.
Al solidificar los metales o aleaciones se contraen y disminuyen su
volumen, este fenómeno origina una reducción en las medidas de la
pieza, por lo cual los modelos al ser proyectados, deben contener
en sus dimensiones el por ciento de contracción del metal o
aleación. Ver figura No. 16
En la tabla se dan algunos valores de contracción metálica, para
aplicarlos a las dimensiones del modelo, en función del metal en
que será vaciada la pieza. Ver tabla No. 3
Figura No. 16
Metal % de contracción
Fundición gris 0.5 a 1.2 Fundición blanca 1.2 a 2.0 Acero moldeado
1.5 a 2.0
Bronce de estaño 0.8 a 2.0 Bronce rojo 0.8 a 1.6
Latón 0.8 a 1.8 Aleaciones de zinc 1.0 a 1.5
Aluminio 0.5 a 1.0 Aleaciones de aluminio 1.0 a 2.3
Tabla No. 3 valores de ángulos de contracción.
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MODELOS PARA FUNDICIÓN 43
SOBRE ESPESORES DE MAQUINADO.
Al proyectar las dimensiones para un modelo también se debe tomar
en cuenta aquellas superficies que se maquinan, a fin de dar un
sobre espesor de material para el maquinado. Existen diferentes
criterios y normas al respecto, aquí un ejemplo de ello. Norma
Francesa NFA 32011 para hierro gris.
Sobre espesor clase L.
Para dimensiones que nos son fundamentales por la función misma de
la pieza. (Cotas no afectadas de tolerancia en el dibujo de
definición). Tabla No. 4
Tabla 4 sobre espesor de maquinado clase L
La mayor dimensión de la pieza de: 1 250 630 1600 a a a en
Cotas nominales de referencia
250 630 1600 adelante
De: a inclusive Sobre espesor de maquinado
16 4 4.5 5 7 16 25 4 4.5 5 7 25 40 4.5 4.5 5.5 7 40 63 4.5 5 5.5
7.5 63 100 5 5 5 8 100 160 5.5 5.5 6.5 8 160 250 6 6 7 8.5 250 400
7 7.5 9.5 400 630 7.5 8.5 10.5 630 1000 9.5 11.5
1000 1600 11.5 13.5 1600 2500 15.5 2500 4000 19
Tabla No. 4 Tabla de sobre espesor de maquinado
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MODELOS PARA FUNDICIÓN 44
Sobre espesor clase A.
Para dimensiones o cotas afectadas de tolerancia de precisión sobre
los dibujos de definición. Para piezas que serán obtenidas
utilizando modelos de madera fijos a una placa o modelos sueltos.
Ver tabla No. 5
Tabla 5 sobre espesor de maquinado clase A
La mayor dimensión de la pieza de:
0 100 160 250 630 1600 a a a a a a
Cotas nominales de referencia
100 160 250 630 1600 En adelante
Ce: a inclusive Sobre espesor de maquinado
16 2.5 2.5 2.5 4 4.5 5.5 16 25 3 3 3 4 4.5 5.5 25 40 3 3 3 4 4.5 6
40 63 3 3 3 4.5 5 6 63 100 3.5 3.5 3.5 4.5 5 5
100 160 3.5 3.5 5 5 6.6 160 250 4 5 5.5 7 250 400 5.5 6 7 400 630 6
6.5 8 630 1000 7.5 8.5
1000 1600 9 10 1600 2500 11.5 2500 4000 13.5
Tabla No. 5 Tabla de sobre espesor de maquinado clase A
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Sobre espesor B
Para dimensiones o cotas afectadas de tolerancia de precisión sobre
los dibujos de definición. Para piezas que serán obtenidas
utilizando modelos metálicos o modelos placa. Ver tabla No. 6
Tabla 6 Sobre espesor de maquinado clase B
La mayor dimensión de la pieza de: 1 250 630 1600 630 a a a
en
Cotas nominales de referencia
250 630 1600 adelante De: a inclusive Sobre espesor de
maquinado
16 2.5 2.5 2.5 3.5 4 16 25 2.5 2.5 2.5 3.5 4 25 40 2.5 2.5 2.5 4
4.5 40 63 3 3 3 4 4.5 63 100 3 3 3 4 4.5
100 160 3 3 4.5 5 160 250 3.5 4.5 5 250 400 5 5.5 400 630 5.5 6 630
1000 6.5
Tabla No. 6 tabla de sobre espesor de maquinado clase B
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FORMAS QUE FACILITEN EL MOLDEO.
Al diseñar las formas de los modelos se deben prever que el modelo
se facilite. Esto en ocasiones implica que la forma del modelo no
sea semejante a la pieza que se desea obtener. Ver figura No.
17
Figura No. 17
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MODELOS PARA FUNDICIÓN 47
DIMENSIONES DE LAS PLANTILLA.
Las plantillas son necesarias cuando la pieza es hueca y sirven
para formar la cavidad en el molde que servirá de apoyo al corazón.
Como una orientación, en piezas cuya sección del corazón es
cilíndrica y se apoya en los extremos, las dimensiones de las
plantillas son: figuras 18. 19, 20.
Figura No. 18
Figura No. 19
Existen otros casos en que el corazón se apoya solamente en un
extremo, y el dimensionamiento de la plantilla depende de un
cálculo matemático para obtener en este caso el centro de gravedad
de la base de apoyo del corazón.
Figura No. 20
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COLORES UTILIZADOS.
Por sus formas algunos modelos resultan complicados de identificar
claramente, por lo cual se pintan sus partes de colores, cada color
corresponde a una parte o superficie especifica según la norma que
se este utilizando. Ver tabla No. 7.
Superficie o parte de la superficie
Acero moldeado
Fundición gris
Fundición maleable
ligeros Color de fondo para
superficie en el modelo y en la caja de machos que
quedan sin maquinar en la pieza fundida
azul rojo gris amarillo Verde
Las superficies a maquinar en la pieza fundida
Listas amarillas
Listas amarillas
Listas amarillas
Listas amarillas
Listas amarillas
Asientos de partes sueltas del modelo (pieza a encajar) en el
modelo o en la caja de
machos, así como para tormillos de piezas sueltas
Ribeteado en negro
clavos rojo azul rojo azul Azul
Asientos de machos o plantillas negro
Medias cañas Si en caso especial no se aplican medias cañas, se
marcan con rayado en negro, indicando el radio.
Mazarotas perdidas o bebederos, sobre espesores de maquinado por
motivos
técnicos de fundición
Listas negras y rotulado correspondiente
Nervios o salientes del modelo
En el color del fondo del modelo o sin pintar, pero con listas
negras
Negro o con marcas negras Calibres y tolerancias Barniz
incoloro
Zonas para rasqueteado azul rojo gris Amarillo verde
Tabla No. 7. Corresponde a la norma alemana DIN 1511
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CALCULO DE LAS DIMENSIONES DE UN MODELO.
Para simplificar el calculo de las dimensiones del modelo en las
cotas de definición, se debe hacer caso omiso de las tolerancias, y
los valores calculados, pueden redondearse al medio milimétrico, es
decir, si la dimensión necesaria para el modelo es de 27.7 mm, el
valor final del modelo puede ser 28.00 mm.
Figura No. 21
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SISTEMAS DE ALIMENTACIÓN.
Son muchos los factores que se deben controlar para obtener una
buena pieza de fundición, uno de estos factores es debido al
recorrido que efectúa el metal en el molde y su solidificación.
Para diseñar un sistema de alimentación correcto, se requiere
conocer los principios de flujo de fluidos y características de
solidificación del metal vaciado.
El metal líquido se introduce a la cavidad del molde a través de un
“sistema de alimentación” compuesto de cuatro partes principales:
el basín, un bebedero, un canal y los ataques. El metal se vacía
primeramente en el basín y pasa el bebedero vertical, después luye
a través del canal (previamente tallado en la arena del molde) y
por ultimo pasa por los ataques, para llegar a la cavidad del
molde. Fig. 22.
Figura No. 22
Los metales en estado líquido absorben gases. El líquido erosiona
el material del molde durante el flujo del metal, y además sufre el
proceso de solidificación y su contracción en volumen, razones por
la cuales los sistemas de alimentación deben diseñarse con el
siguiente criterio:
a) El metal debe fluir a través del sistema de alimentación con el
mínimo de turbulencia para evitar la oxidación del metal, el
atropamiento de aire, la aspiración de gases en el molde, el
eliminar las inclusiones de sustancias o erogaciones en el molde,
inclusive evitar también la formación de escoria.
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b) El metal debe entrar a la cavidad del molde de una manera tal
que los gradientes de temperatura sea tanto en el fondo como en la
superficie del molde de tal forma que la solidificación sea
progresiva y en dirección de la mazarota o cargador.
La primera condición al diseñar un sistema de alimentación es la de
reducir los efectos en las piezas causadas por inclusiones de
escoria, erosiones y gases atrapados. La segunda condición es la de
evitar los defectos causados por la contracción y una alimentación
inadecuada. La tercera condición es producir piezas a un costo
competitivo con otros procesos de manufactura.
COMPONENTES DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN.
Basín: Los sistemas de alimentación inician con un basín o
recipiente, destinado a recibir el metal líquido de la cuchara de
vaciado y deben a su vez mantener el resto del sistema lleno de
metal líquido, también deberá ayudar a retener la escoria e
inclusiones antes de que fluya a través del sistema. La figura 2
muestra el corte de un diseño de basín que permite tal función.
(Figura 23.)
Figura No. 23
Bebedero: El diseño correcto de un bebedero es extremadamente
importante para el futuro de una buena pieza de fundición. Debe ser
cónico en vez de recto, con la menor área en el fondo a fin de
minimizar el efecto de vértice y evitar el atropamiento de burbujas
de aire durante vaciado del metal. El área transversal de bebedero
puede ser circular, fig. 3 (a), aunque también en resultados
recientes de investigación recomienda el área transversal
rectangular. Fig. 24.
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Pozo (Base del fondo del bebedero): No debe tener aristas ni
esquinas, se recomienda la forma circular y el fondo plano para
reducir la tendencia a la turbulencia y la aspiración de aire. La
fig. 24 muestra un pozo con estas características.
Figura No. 24
Canal: Son de sección rectangular y se deben diseñar de forma tal
que permita distribuir el metal en forma uniforme a la pieza. Fig.
25 y 26
Figura No. 25
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Ataques: Se conocen también como entradas y son la ultima parte del
sistema de alimentación y a su vez es la parte del sistema que
tiene contacto con la cavidad del molde. Por regla general los
ataques son de sección rectangular y pueden esta arriba del plano
de participación o por debajo. Los ataques o entradas deben estar
distribuidos en forma conveniente a la pieza. En la fig. 26 se
ilustra la posición de los ataques respecto al plano de
participación.
Figura No. 26
La cantidad del metal que fluye por los ataques o entradas hacia la
cavidad de la pieza varía en función de la distancia entre ellos,
fig. 8 (a), de su orientación fig. 27 (b), así como de el área
transversal del canal y de los ataques. Figuras. 27 (c y d).
Figura No. 27
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2.6 DEFECTOS EN PIEZAS FUNDIDAS
Los defectos en piezas fundidas son indeseables y en muchas
ocasiones difíciles de detectar, inclusive existen defectos
internos que sólo a través de métodos de inspección especiales se
pueden identificar.
El origen del defecto puede ser debido a una causa o a varias de
ellas y es motivo de un análisis cuidadoso llegar a determinarla.
Sin duda que la experiencia del fundidor es necesaria para
determinar el origen del defecto y así poner en práctica acciones
correctivas a fin de reducir o anular los defectos en la producción
de piezas fundidas.
CAUSAS QUE ORIGINEN DEFECTOS EN PIEZAS FUNDIDAS.
Las causas que originan los defectos pueden clasificarse
principalmente en cuatro, a saber:
Causas debidas al equipo utilizado durante el proceso. Causas
debidas al cambio de estado líquido del metal al estado sólido.
Causas debidas al diseño o concepción de la pieza. Causas debidas a
las operaciones realizadas durante el proceso.
Defectos con origen en el equipo utilizado.
Son el resultado de errores en la fabricación de los modelos y
cajas de corazón que se usan para la ejecución de los modelos de
arena y se deben principalmente a errores en el cálculo de las
tolerancias de contracción del metal, causando errores de dimensión
cuando la pieza solidifica.
La inspección de las dimensiones de un modelo o caja de corazón
nueva son en ocasiones difíciles de realizar, pero necesarias a fin
de evitar este tipo de defectos.
También es común que se realicen moldes de arena con cajas de
moldeo con pernos de localización o agujeros para pernos
desgastados, lo cual permite un “deslizamiento” en las caras en
contacto común de la tapa superior e inferior de en desfasamiento
entre la mitad superior y la mitad inferior de la pieza,
produciéndose el defecto.
Defectos con origen en el cambio de estado líquido al sólido del
metal.
Las aleaciones metálicas durante el periodo de solidificación
sufren una o varias contracciones metálicas (disminuciones de
volumen), as cuales deben preverse por el fundidor y por el
modelista ya que pueden ser el origen de diversos defectos en la
pieza fundida.
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El fundidor deberá estudiar el enfriamiento que irá sufriendo la
pieza hasta alcanzar la temperatura ambiente para prever un buen
diseño del sistema de alimentación, realizar un cálculo adecuado
para su mazarotas empleadas, decidir si es necesario el empleo de
enfriadores, así como el empleo de materiales exotérmicos. También
decidirá entre otras cosas algunas recomendaciones prácticas en
cuanto al moldeo de la pieza.
El modelista por su parte como se menciona en 3.1 deberá fabricar
su modelo tomando en cuenta principalmente la contracción sólida
propia de los metales, aplicando el cálculo correcto a cada
dimensión de la tolerancia de contracción, a fin de evitar los
defectos de dimensión.
Al modelo también deberá aplicarse los sobré espesores| de
maquinado recomendado y ángulos de salida adecuados.
Defectos con origen en las operaciones realizadas durante del
proceso.
Son diversas las operaciones que se realizan durante el proceso de
fundición y un control deficiente en ellas dará por resultado mala
calidad en las piezas de fundición.
Las operaciones a continuación mencionadas son sólo algunas de las
que se realizan en el proceso de fundición.
FUSIÓN Temperatura de fusión, orden de adición de los elementos
aleados, empleo de fundentes, desgasificantes, afinadores de
grano.
VACIADO Temperatura de vaciado, velocidad de vaciado, eliminación
de nata y escoria.
MOLDEO Apisonado, empleo de pinturas, empleo de arena de careo,
salidas de gases, manejo y transportación del molde, asentamiento
de corazones.
DESMOLDEO Velocidad de desmolde, método de desmolde.
LIMPIEZA DE PIEZA Sistema de limpieza, manejo de la pieza, rebabeo
de la pieza.
PREPARACIÓN Y MANTENIMIENTO DE ARENA Orden de adición, tiempo de
mezclado, manejo y conservación.
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Defectos con origen en el mal diseño o concepción de la
pieza.
Para diseñar o proyectar una pieza de fundición, es necesario que
estas tengan formas y espesores adecuados.
DEFECTOS COMUNES
Porosidad.- Es causada por los gases que durante el vaciado del
metal en el molde, no tienen una salida fácil al exterior. Si la
porosidad está distribuida de manera uniforme en la pieza, es señal
de que el gas estaba ya disuelto con el metal antes del vaciado.
Ver figura 44
Figura No. 44
Rechupe.- Es un hueco dejado en la pieza como resultado de la
contracción líquida y de solidificación propia de los metales. Ver
figura 45
Figura No. 45
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Sopladura.- Agujero en la pieza fundida causada por el gas atrapado
durante la solidificación. Estos huecos alcanzan hasta la
superficie. La sopladura puede ser causada también por arena
demasiado húmeda. Ver figura No. 46
Figura No. 46
Grietas.- las grietas en caliente o roturas en caliente se producen
cuando hay una rigidez en el molde que origina un esfuerzo de
tracción en la pieza (fig.4). Otro caso es cuando un corazón es
demasiado duro para desintegrarse y la pieza no tiene una libre
contracción. Ver figura No. 47
Figura No. 47
Llenado incompleto.- Es el resultado de la solidificación del metal
antes de que el molde sea llenado. Esto ocurre también por tener un
sistema de alimentación deficiente. Ver figura No. 48
Figura No. 48
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Explosiones de arena.- Son granos de arena incrustados en la pieza
debido a un apisonado flojo o un excesivo impacto del metal contra
la superficie del molde. Ver figura No. 49
Figura No. 49
Corazones desplazados.- El desplazamiento de un corazón es causado
por descuido del operario por accidente. También puede contribuir
la incidencia del metal contra un costado del corazón. Ver figura
No. 50
Figura No. 50
Escoria en la pieza.- La formación de escoria se debe a la
oxidación del metal producida por la fisión del metal en el horno,
o al vaciar el metal en el molde de tal manera que está queda
incluida en la pieza creándose el defecto.
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3.1 METODOLOGÍA
En este proyecto utilizaremos las aleaciones de hierro gris de alta
calidad, ya que este cubre el rango de dureza, resistencia y
composición química requeridos por las normas SAE o equivalentes,
de alta maquinabilidad y estabilidad dimensional. Esto se determino
después del análisis del marco teórico ya mencionado
anteriormente.
En este caso la pieza a diseñar es un tornillo de banco, el cual es
una herramienta que sirve para sujetar firmemente piezas o
componentes a los cuales se les quiere aplicar alguna operación
mecánica. Es un conjunto metálico muy sólido y resistente que tiene
dos mordazas, una de ellas es fija y la otra se abre y se cierra
cuando se gira con una palanca un tornillo de rosca cuadrada. Es
una herramienta que se puede atornillar a una mesa de trabajo y es
muy común en los talleres de mecánica.
Cuando las piezas a sujetar son delicadas o frágiles se deben
proteger las mordazas con fundas de material más blando llamadas
galteras y que pueden ser de plomo, corcho, cuero, nailon,
etc.
Para realizar diseño del modelo se tuvieron las siguientes
consideraciones:
Se realizaron los cálculos para las dimensiones con una contracción
del material del 0.7% como indica la tabla No.3 para el hierro
fundido.
Se aplico un espesor de maquinado de clase L, ya que las partes que
van a ser maquinadas no afectan el tamaño de la pieza. Ver tabla
No. 4.
Se aplicaron ángulos de extracción βconforme a la tabla No.
2.
El software utilizado para el diseño de la misma fue Mechanical
Desktop.
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3.2 DISEÑO DE LA PIEZA
A continuación se muestran los dibujos de la pieza a diseñar.
Figuras de la pieza de No. 27 a No. 31
Figura No. 27
Figura No. 28
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3.3 DISEÑO DEL MODELO
El modelo es elaborado de madera, y esta dividido en 2 partes.
Figuras de No. 32 a No. 35
Figura No. 32
Figura No. 33
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Figura No. 36 Modelo de la pieza (cuerpo de la pieza)
Figura No. 37 Modelo de la pieza (cabezal)
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3.4 DIBUJOS DEL MOLDEO
Los siguientes dibujos muestran la forma de moldeo de la pieza.
Figuras de No. 38 a No. 43
Figura No. 38
Figura No. 39
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3.5 CÁLCULOS DEL SINFÍN.
Para el previo cálculo de un tornillo de potencia se tiene que
recurrir primero; a una investigación previa sobre el diseño de la
pieza en la cual se tendrá que hacer las especificaciones más
relevantes del diseño y el cálculo.
Para el cálculo de un tornillo de potencia el cual lleva una rosca
Cuadrada ó Acmé se tiene que utilizar el torque o momento que
genera la cuerda a través del desplazamiento que se tiene en toda
la longitud del tornillo, para esto se utiliza una cierta clase de
formulas previamente establecidas.
Para poder establecer la formula correcta se deberá utilizar el
diseño para establecer los limites y longitudes que se tienen para
el cálculo necesario; en esta hoja de cálculo se estableció que se
deben tomar los valores más grandes para el cálculo correspondiente
ya que se necesita someter una cuerda a su máxima fricción y
desgaste que se genera durante su vida útil de la cuerda.
Para el diseño se estableció que se debe considerar un material de
acero 4140 para el tornillo de potencia ya que este material es
resistente a la fricción y desgaste; de esta forma se puede
fabricar la turca de un acero 1045 para este, ya que es más fácil
que se desgaste pronto esta tuerca que el propio tornillo; en el
cual el tornillo es donde se genera más cantidad de fricción y
fuerza a realizar en la cuerda que la propia tuerca.
En el término de los cálculos correspondientes se tiene que saber
que tipo de tratamiento térmico debe llevar la cuerda, para esto
escogimos un tratamiento térmico llamado nitruración ya que este
consiste en fortalecer el material y darle mayor vida contra el
desgaste y la fricción que genera este tornillo.
Para el estudio de la fuerza que genera un hombre en el apriete de
una herramienta se necesita una investigación necesaria. Para esto
se hace una investigación sobre el estudio de la ergonomía que es
la actividad concreta del hombre aplicado al trabajo utilizando
medios técnicos, el cual tiene como objetivo la investigación en un
sistema hombre – máquina – entorno, el cual relaciona todo lo
explicado anteriormente.
Para un estudio de esta fuerza se hizo un estudio con 10 personas
que oscilan entre una edad de 22 a 23 años con un peso de 70 kg. a
80 kg. y una estatura de 1.70 m a 1.80 m; en la cual se les pidió
que jalaran un dinamómetro con todas sus fuerzas para establecer
una fuerza promedio que resultara ser una incógnita necesaria para
el cálculo de un tornillo de potencia, al término de la medición se
estableció que un hombre de las anteriores características puede
ejercer una fuerza promedio de 300N.
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Ya teniendo los componentes se prosigue al cálculo necesario de un
tornillo de potencia el cual se tiene los siguientes resultados
generados:
CALCULO DE UNA ROSCA CUADRADA PARA UN TORNILLO DE 3/4” DE
DIÁMETRO.
Torque a través de la cuerda
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CALCULO DE UNA ROSCA ACME PARA UN TORNILLO DE 3/4” DE
DIÁMETRO.
Torque a través de la cuerda
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MOLDE
CORAZÓN
MOLDE
CORAZÓN
TORNILLO Y TUERCA
MATERIAL ACERO 4140 Ø ¾ “ X 118” $180.00 $3,600.00 $7,200.00
$10,800.00
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CONCLUSIONES
Con este proyecto definimos que la fabricación de un modelo de
fundición, en el cual se establece el costo de una pieza se puede
basar en la forma del tipo de fundición y el material con que se
vaya a realizar; sea por acero o inyección.
Por lo cual en una forma más adecuada en la fabricación de
cualquier tipo modelo se deben de establecer los recursos
necesarios para la elaboración de dicha pieza. En el transcurso de
la realización de esta Tesina podemos hablar que en la fabricación
de un modelo para fundición es el paso más importante ya que de
este se empieza a generar toda la fabricación y averiguación sobre
tiempos y costos que deben necesitar para la elaboración de
cualquier tipo de pieza; ya que el modelo se puede definir como la
parte negativa de una pieza ya establecida o realizada en la
industria.
En la innovación de este diseño podemos hablar del recubrimiento
que tendrá el modelo que será de zinc-estaño; por sus propiedades
en las que se puede observar la resistencia a la corrosión y al
desgaste que se tenga. En una caja de madera la mejor opción es el
recubrimiento de una grasa lubricante en la cual su utilización
sirve para que no se penetre el material caliente en la caja.
En el estudio del tipo de material se puede generar una idea de la
obtención y la aplicación que se tiene en la industria porque al
completar este material hemos llegado a la conclusión de que tan
importante es tener conocimiento, el cual es importante para la
humanidad saber el proceso químico, fisiológico y biológico de las
cosas que nos rodean. Este proceso de fundición de metales es
considerado como uno de entre tantos procesos que sirven de
evolución a la humanidad y cambian el curso de nuestras
vidas.
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4.5 BIBLIOGRAFÍA
Diseño De Elementos De Maquinas 2da. Edición Autor: Robert L. Mott
P.E
Manual Del Ingeniero De Taller Autor: Roger Timings.
Ergonomía Y Productividad. Autor: Ramírez Carvassa
Tecnología De Los Materiales Autor: Ing. Heliodoro Espinosa
H.
Elementos De Máquinas Autor: Bernard J. Hamrock, Bo Jacobson,
Steven R. Schmid.
Análisis crítico de los problemas que se presentan en el vaciado de
fundiciones por razón de las contracciones líquidas y sólidas
propias de las aleaciones metálicas. Tesis Profesional, ESIME,
México 1973
Autor: Jiménez C. Francisco