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NUEVOS PROCESOS DE DISEÑO Y FABRICACIÓN DE PIEZAS COLADAS

Borrajo, J.M., Martínez, R.A., Boeri, R.E.,

Sikora, J.A.

División Metalurgia, INTEMA, Fac. de Ingeniería, UNMdP, CONICET , J.B. Justo 4302 (7600) Mar del Plata INTRODUCCIÓN

La incesante reducción del tiempo de Investigación y Desarrollo de un producto nuevo, o proceso que se quiera comercializar es uno de los mayores desafíos que enfrenta la ingeniería. Los productos son cada vez más complejos, mientras que el tiempo disponible entre los primeros bocetos y la puesta en el mercado es cada vez menor. La vida en el mercado de los mismos es a veces reducida, obligando a las empresas a rediseñarlos y lanzarlos nuevamente, o a pensar en nuevos diseños para mantener su perfil competitivo.

En consecuencia, el departamento de ingeniería debe estar altamente capacitado para absorber esta carga de diseño y análisis, y resolverla en el menor tiempo posible. Esta etapa es la que demanda mayores esfuerzos y de la cual el lanzamiento al mercado del producto o proceso depende fuertemente.

La capacidad computacional actual permite la integración de todas las áreas de la ingeniería asociadas al diseño ingenieríl, desde la realización del primer boceto en un sistema CAD, pasando por los programas de cálculo, optimización y selección del material, hasta llegar a los sistemas de manufactura CAM. El objetivo de utilidad final de estos esfuerzos es integrar todas las técnicas en un proceso racional de diseño.

En la última década se ha prestado atención al modelado en computadoras de procesos de colada en metales, estudiando aspectos tales como llenado de moldes, transferencia de calor y defectos de solidificación.

En este trabajo se presentan los resultados de las primeras aplicaciones del programa SIMTEC, en la predicción de la solidificación de piezas coladas en moldes de arena y la evaluación de la posible presencia de defectos. EXPERIMENTAL

Los estudios sobre diversos componentes mecánicos (bielas, piezas sabot, componentes de mezcladora de polímeros, etc.) consistieron en el modelado del llenado de los moldes, el estudio de los campos de temperatura y de las curvas de enfriamiento en puntos seleccionados. También se realizó la predicción de la microestructura asociada a dichos puntos. Se pudieron evaluar defectos asociados a la disposición del molde, canales de colada, mazarotas, calentadores etc, corrigiendo las fallas mediante la predicción por el modelado.

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Los estudios están en primer lugar desarrollados sobre bloques escalonados (Figura 1). Las diferentes secciones permiten diferenciar el enfriamiento y la microestructura final en cada sección.

Los bloques de prueba fueron instrumentados con termocuplas colocadas en los puntos de estudio para compararlas con las obtenidas por el modelado, la correcta predicción de las curvas Tvs.t son la clave para la determinación de microestructuras “as cast”.

Tanto los bloques escalonados como las piezas estudiadas fueron moldeadas siguiendo técnicas tradicionales, utilizando modelos de madera y moldeados en arenas ligadas con resinas. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Bloques escalonados.-

Los mismos son de 10, 20, 30 y 40mm de espesor en sus cuatro secciones y de 100mm de ancho (Figura 1) en el centro de cada sección se colocó una termocupla. La Figura 2 muestra la comparación entre los valores medidos y modelados los cuales muestran un ajuste suficientemente bueno.

Figura 1

Figura 2

Figura 3

Figura 4

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La Figura 3 muestra el avance de la línea de solidus en donde se puede apreciar un área encerrada al centro de la mazarota, la cual se corresponde con la fotografía de la Figura 4 de un corte longitudinal del bloque escalonado en donde se observa un hueco en la última zona en solidificar.

Componente de mezcladora de polímeros.- (Figura 5)

En este ejemplo de aplicación se pueden observar los resultados de modelar una situación y la ayuda que esto brinda al fundidor en lo que respecta a la optimización de alimentadores y mazarotas que hacen a la obtención de una pieza sin defectos. La pieza fue colada con pequeñas mazarotas en los sectores a y b y la pieza resultante es la correspondiente al corte de la Figura 6, con significativos rechupes en las zonas de mayor espesor. El modelado de esta situación muestra claramente la aparición de estos defectos (Figura 7). Si la pieza hubiera sido modelada desde el proceso de diseño, las mazarotas resultantes hubieran tenido las dimensiones mostradas en la Figura 8 con piezas libres de defectos.

Figura 5

Figura 6

Figura 7

Figura 8 Pieza tipo Sabor.- (Figura 6)

Este componente mecánico perteneciente a un transporte de carga fue desarrollado como ejemplo de una pieza real en la cual se sigue un proceso completo consistente en

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el llenado del molde, estudio de campos térmicos, estudio de defectos y análisis microestructural. Esta pieza fue analizada en conjunto con el Centre Technique des Industries de la Fonderie (CTIF) de Paris, Francia, pudiendo de esta manera comparar estudios con distintos programas.

Los estudios realizados sobre esta pieza permiten comparar resultados obtenidos mediante técnicas de elementos finitos y de volúmenes finitos para cuatro puntos de interés de una sección transversal, los cuales están sintetizados en la Figura 10.

Figura 9

Figura 10 Biela hueca.- (Figura11)

El estudio de esta pieza correspondiente a un motor de combustión interna y realizada en fundición esferoidal austemperizada, permitió analizar el comportamiento del molde primitivo, que consiste en la biela y el casquillo en molde de arena y otro con calentadores (color amarillo en la Figura 12). Dado que la pieza es hueca y con pequeños espesores es necesario que las velocidades de enfriamiento se vean reducidas para obtener microestructuras libres de carburos en las paredes de la caña. Se pueden observar los resultados de las velocidades de enfriamiento en las paredes para los dos moldes (Figura 13). De esta manera es posible dimensionar los calentadores para obtener la velocidad de enfriamiento adecuada.

Figura 11

Figura 12

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Figura 13 CONCLUSIONES • Los estudios sobre bloques escalonados permitieron asegurar la confiabilidad de los sistemas de diseño computacionales. • El análisis de defectos como rechupes y huecos fue evidenciado y es posible corregirlos como en el caso de la mezcladora de polímeros. • La pieza tipo Sabot es la introducción a piezas reales y análisis microestructurales utilizando las dos tendencias utilizadas actualmente en modelados de solidificación y enfriamiento (macro y micromodelos). • La biela es un componente que se encuentra en funcionamiento actualmente y que sigue en su etapa de diseño final y representa un desafío tecnológico de avanzada, la utilización de herramientas de diseño como las presentadas en este trabajo son indispensables para llegar a resultados satisfactorios. • Los trabajos futuros incluyen la generación de bases de datos para resolver estudios microestructurales utilizando modelos de macrosolidificación, también se prevé la generación de modelos por técnicas de Rapid Prototyping, así como el ajuste de interfases que permitan intercambiar información entre la variada oferta de software destinado a estos propósitos de diseño. REFERENCIAS [01.] CAD/CAM in the small to medium–size pattern shop. AFS Transactions; pp. 121- 122;

92-144. (1992). [02.] CAD cast design and production software for castings; Huang, Y.S., Webster, P.D.,

Dean,T.A. AFS transactions; pp. 69-73; 95-18; (1995). [03.] CAD/CAM for casting; Dean, T.D.; Webster ,P.D.; The Foundryman; 1991; vol 4; p426. [04.] Desarrollo de bielas huecas fundidas, para motor MAP, en ADI. J.A. Sikora, O. Moncada,

R. Martínez, R. Boeri, J.M. Massone. “El Fundidor” Vol. 107, pp.4-10, Octubre 1997. [05.] Simulation de la solidification et du remplissage des pieces coulees, G. Sciama. Fonderie-

Fondeur d’aujourd’hui nro 100 – Decembre1998, pp. 21–36. [06.] Study of the eutectoid transformation in nodular cast iron the sabot part using a

microsolidification model. Comparisson with experimental values. R.A. Martínez. Report no.13067 CTIF (Centre technique des Industries de la Fonderie)