Fundición - Csar Esquivel

Vista previa del material en texto

Instituto Politécnico Nacional
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica
Unidad Azcapotzalco
	
	
Ingeniería en Robótica Industrial
Asignatura: Procesos de Manufactura
4RM2 
Fundición
César Antar Esquivel González								2016360213
16 – Mayo – 2017 
ÍNDICE
1. Objetivo.............................................................................................................................	3
2. Introducción……………………….…………………………………………………….………………….……………….	4
3. Marco teórico…………………………………..…..………………………………….………………….……………….	5
· Tipos de arena.
· Moldes.
· Modelos.
4. Desarrollo…………………………..………………………………………………………………………………….….....	17
· Preparación de la arena.
· Realización del molde.
· Fundición. 
5. Conclusiones……………………………………………………………………………………………………………………………..	29
OBJETIVO
Realizar una pieza (escudo del IPN) de aluminio a partir de un modelo, realizar el molde y reforzar los conocimientos obtenidos en clase.
INTRODUCCIÓN
El presente trabajo tiene como propósito darnos a conocer el proceso de fundición realizado en el laboratorio, así como profundizar teóricamente sobre el proceso que se realizó, los materiales necesarios y demás datos necesarios para el buen entendimiento de todo lo implicado en el proceso de fundición.
Se tocaran temas como los tipos de arenas que tenemos en cualquier proceso deformado de un molde de fundición, algunas especificaciones que deben de tener los modelos para realizar un molde, así como toda la información necesaria para hacer un molde que nos permitirá materializar cualquier modelo que se quiera realizar.
Toda esta información y marco teórico es necesario para entender el proceso de fundición como un proceso con ciencia detrás de este y no solamente como un proceso que se realiza como algo que no tiene bases teóricas y se puede hacer sin ningún tipo de preparación.
Para continuar se describirá el proceso minuciosamente que cada uno de los estudiantes seguimos desde la entrada al laboratorio pasando por la preparación de la arena verde para poder construir nuestro molde hasta el vaciado del metal en estado de fusión, todo esto para complementar la teoría descrita en todo el trabajo.
Para terminar con este trabajo se mencionaran algunas consideraciones que se deben de tener durante un proceso de fundición, útiles para futuros procesos de fundición.
MARCO TEÓRICO
· 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 del mineral. El diámetro de los granos puede variar entre 0.05 a 0.02 mm. La mayoría de las arenas de fundición se componen físicamente de cuarzo y sílice. Las arenas utilizadas en el moldeo en verde pueden clasificarse en:
· Arenas naturales: 
Es la atenida de depósitos naturales debido a alteración de rocas feldespáticas caracterizadas por la materia arcillosa que envuelve a los granos de arena. Las arenas naturales normalmente contienen 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 el punto de fusión de la arena. Una arena natural puede contener cantidades variables de otras tanto impurezas. Las sustancias o materiales que contienen principalmente son: carbonatos de calcio y/o magnesio, oxido de fierro, mica y 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, 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 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 clasificación puede basarse en su contenido de arcilla y en él se distinguen cuatro grupos.
1. Arenas arcillosas o tierras grasas, cuyo contenido de arcilla es superior al 18%.
2. Arenas semigrasas, cuyo contenido de arcilla va del 8 al 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%.
Una segunda clasificación puede hacerse según la forma del grano.
1. Arena de grano esferoidal o redondo.
2. Arena de grano angular.
3. Arena de grano compuesto.
· Moldes:
Para la realización de un molde de arena verde como se debe de tener un modelo se puede emplear desde madera o plásticos hasta metales como el aluminio o el hierro fundido.
Se tienen que tener consideraciones en el momento de hacer un modelo como las que se mencionarán a continuación: 
· Deben evitarse las esquinas agudas, los ángulos y los biseles, pues, éstas actúan como elevadores de esfuerzos y pueden causar el agrietamiento y grietas del metal (y de las matrices) durante la solidificación.
· Deben evitarse las áreas planas grandes (superficies simples), ya que se pueden torcer durante el enfriamiento debido a gradientes de temperatura o formarse un mal acabado superficial.
· A fin de evitar el agrietamiento de la pieza fundida, deberán existir tolerancias de construcción durante la solidificación.
· Líneas de partición, la línea de partición es aquella línea o plano que separa las mitades superior e inferior de los moldes; la línea de partición debe estar en las líneas o bordes de las fundiciones.
· Ángulo de salida, éste ángulo pequeño en los modelos para moldes de arena para permitir la extracción del modelo sin dañar el molde.
· Tolerancias dimensionales, deben ser tan amplios como sea posible, dentro de los límites de un buen desempeño de la pieza, de lo contrario aumenta el costo de la fundición.
· Holgura de maquinado, las holguras de maquinado que se incluyen en las dimensiones del modelo, dependen del tipo de fundición y aumentan con el tamaño y el espesor de la sección de fundiciones.
· Esfuerzos residuales, las diferentes velocidades de enfriamiento dentro del cuerpo de una fundición generan los denominados esfuerzos residuales, para ello es necesario el alivio de esfuerzos a fin de evitar distorsiones en aplicaciones críticas.
Un molde puede realizarse en diferentes materiales dependiendo de la necesidad que se tenga según la pieza:
· Arena verde.
· Arena seca.
· Moldes con pintura.
· Moldes con carcasa.
Cualquier tipo de arena tiene características como lo son la refractariedad, cohesión o resistencia, permeabilidad, fluidez y moldeabilidad.
Moldeo en arena verde: Se denomina moldeo en arena verde cuando el estado de la arena en el molde contiene una humedad relativa en toda su masa. Tiene la ventaja de ser un procedimiento sencillo., se obtiene un enfriamiento rápido de la pieza y que la impresión de la cavidad se obtiene con relativa precisión; las ventajas que presenta este método es que existe un templado superficial en la pieza la cual perjudicial en el maquinado así como no se tiene resistencia a la erosión.
Moldeo en verde consecado 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 más pesadas, debido a un aumento en la resistencia del molde; se evita el templado superficial en buena medida y 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 que nos ofrece 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 y se obtiene un buen acabado superficial.
El aglutinante es un material importante durante la formación del molde ya que tiene la propiedad de unir la arena para proporcionarle resistencia. 
La bentonita sódica es una aglomerante inorgánico cuya finalidad es 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 silica. Este aglutinante proporciona efectos en las propiedades mecánicas como son la resistencia a la compresión en verde, en seco y en caliente.
La bentonita calica es un aglomerante mineral que se utiliza fundamentalmente para unir la arena del sistema, elevar la resistencia a la compresión en verde y moderadamente en seco y en caliente; además promueve la mejor fluidez que la bentonita sódica.
La dextrina es una goma de carbohidratos soluble y que sirve como aglomerado en seco, de compuestos para la fundición 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.
· Modelos:
El modelo es un dispositivo que representa la parte exterior de la pieza y que permite obtener la geometría de la pieza en molde. Los modelos de los procesos (piezas de trabajo) se pueden usar para explorar la influencia de los parámetros del proceso, de estas 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. 
Se debe tener en cuenta la disminución de las dimensiones ocasionadas por la contracción de las piezas al enfriarse, la rugosidad de las superficies por la calidad de la arena y los alojamientos para los corazones, los modelos pueden variar de medidas, desde algunos gramos hasta 50 o 60 toneladas.
El número de piezas a realizarse con un modelo determinara el criterio de selección del material del mismo. Para moldear 10 veces o más con un mismo modelo conviene hacerlo metálico, los cuales resisten mas al desgaste como podría ser el aluminio o alguna aleación con este. 
Para modelos de madera tenemos también dos tipos de maderas:
· Duras: maple, encino y ébano.
· Blandas: pino blanco, cedro, caoba y abeto.
Las maderas duras tienen una magnifica resistencia a la abrasión, sin embargo son frágiles y difíciles de trabajar. Para trabajar con cualquier tipo de madera esta tiene que ser perfectamente sazonada o estofada y almacenarse para impedir la reabsorción de agua. La humedad de la, madera debe de mantenerse baja para impedir el alabeo, el hinchamiento y las costosas reparaciones que deban de hacerse a los modelos. Como nota tenemos que los modelos maestros son generalmente hechos en madera.
Los metales comunes para la fabricación de modelos son el hierro colado, bronce, aluminio y magnesio. El hierro colado tiene una vida útil de molde de 900000 a 140000 usos. El bronce de 70000 a 120000, el aluminio de 40000 a 110000 y el magnesio de 50000 a 70000.
Los plásticos más usuales para la fabricación de modelos son las resinas epóxicas y la resina de poliéster reforzado con fibra de vidrio. Otros son los plásticos acrílicos y el polietileno, el estireno y el acetato. Algunos modelos de resinas resisten hasta 40000 moldeadas sin presentar alteraciones dimensionales.
Los moldes sueltos con sistema de colada incorporado son una mejor de los modelos simples ya que el sistema de colada parte del modelo, elimina la necesidad del trabajo a mano para hacerse dicho sistema. Con este tipo de modelos se obtiene una más rápida elaboración de moldes para pequeñas cantidades de piezas.
Los modelos placa modelo son requeridos para la producción de cantidades grandes de piezas pequeñas. 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 en una sola pieza, caso en el cual tanto la placa como los modelos se hacen colados en moldes de arena o de yeso.
El costo de fabricación de estas placas modelo está justificado por el aumento en la producción y la obtención de mayo 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 los 40 a 50 kg.
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. Los corazones o macho es toda aquella porción de molde prepara por separado y que el objeto de crear huevo al insertarse en el molde.
El diseño de un molde de fundición se muestra a continuación:
Consideraciones al hacer un molde de fundición:
 
Por sus formas algunos modelos resultan difíciles de identificar claramente, por lo cual se pintan sus partes de colores, cada color corresponde a una parte de o superficie especifica según la norma que se esté utilizando. 
Tabla correspondiente a la norma alemanda DIN 1511.
DESARROLLO
· Preparación de la arena:
1. Una vez en el laboratorio fue necesario colocarse la vestimenta adecuada para la realización de la práctica, esta constaba de zapatos o botas de seguridad y bata.
2. En el área de preparación de la arena se llenaron en repetidas ocasiones botes con arena preparada.
3. Los botes eran vertidos en un molino el cual mezclaba perfectamente la arena con una pequeña proporción de agua para darle la consistencia requerida en la práctica.
4. Una vez mezclada la arena una compuerta en el molino se abría para expulsar la arena en carretillas de trabajo y así facilitar su transporte a las mesas donde se realizaría el siguiente punto de la práctica. Este proceso se realizó en reiteradas ocasiones para que todos tuviéramos arena suficiente para la realización de nuestros moldes. Cabe aclarar que si en algún momento algún compañero se quedaba sin arena era necesario repetir el proceso.
5. Una vez con la arena preparada y en carretillas fue transportada al siguiente área de trabajo y así mismo colocada una porción en cada mesa para la elaboración del molde.
Llenado de cubetas con arena.
Vaciado de la arena en el molino.
Mezcla de la arena con agua en el molino.
Llenado de carretillas con la arena lista para su uso.
· Realización del molde:
6. Se coloca en la mesa de trabajo el escudo del cual deseamos generar el molde y alrededor de éste una parte de la caja (rectángulo de acero).
7. Vaciamos arena sobre el modelo con la malla fina hasta que cubra nuestra pieza, y en ese punto se compacta la arena que se encuentra sobre el escudo. Posteriormente se vacía más arena fina hasta poco más de la mitad del rectángulo.
8. Con unas pequeñas palas de madera se apisona lentamente las orillas del molde, posteriormente con las mismas palas se apisona el resto de la superficie.
9. Con ayuda de los apisonadores metálicos se realiza otro apisonado hasta dejar compacta nuestra arena.
10. Vertimos nuevamente arena aunque ésta vez con la malla gruesa, llegando hasta la altura final del molde y generando una muralla en las orillas de aproximadamente 3 dedos de altura.
11. Una vez más realizamosotro apisonado con fuerza, teniendo especial cuidado en las orillas. Si es que tras apisonar el nivel quedaba por debajo del límite del molde es necesario colocar más arena y se volvía a apisonar, repitiendo este proceso hasta cubrir totalmente la primera mitad de nuestra caja.
12. Cuando se llega al nivel deseado de arena, se procede a raspar con la regla toda la superficie con el fin de que se eliminara cualquier desnivel en la arena.
13. Volteamos el molde teniendo cuidado de no tirar la pieza que se encuentra en la parte inferior.
14. Encima de esta parte del molde preparado se coloca la otra mitad de la caja y además se aseguran una a la otra mediante dos pernos para evitar que estas se muevan.
15. Clavamos superficialmente 3 tubos huecos de acero que funcionaran para dejar espacio a los respiraderos, donde saldrán los gases generados por el aluminio líquido al endurecerse.
16. Se coloca una fina capa de polvo separador para evitar que las arenas de los dos moldes se unan.
17. Vaciamos arena fina hasta la primera marca del molde y se apisonamos lentamente teniendo cuidado de no generar movimientos bruscos que puedan mover la pieza y así dañar nuestro molde.
18. Vaciamos arena y se apisona con las palas de madera alrededor de los tubos y en las orillas del molde con mucha presión, posteriormente se apisona el resto del área.
19. Se llena con arena por encima del molde generando una muralla de aproximadamente 3 dedos y se apisonaba con fuerza.
20. Se retiran los pernos y separamos ambas partes del molde.
21. A la parte superior del molde se le retiran los tubos colocados con antelación y se hace un gran cono invertido al orificio de mayor tamaño ya que este será por donde verteremos el aluminio líquido.
22. A la parte inferior del molde, con ayuda de las cucharillas se retirará la pieza y así mismo se le hacen conos invertidos donde se colocaron los tubos (respiraderos), también será necesario hacer pequeños canales para que por ahí fluya el metal líquido.
23. Afinados los detalles de los canales se movía la parte inferior del molde al área donde se le colocará el aluminio.
24. La parte superior se le colocan los pernos y se sobrepone con la parte inferior.
25. Una vez embonadas ambas partes del molde se colocan grapas en los cuatro extremos de los moldes y con la ayuda de un martillo se les da un golpe fuerte y certero para asegurar ambas partes.
Vaciado de arena sobre la pieza.
Apisonado con la pala de madera.
Apisonado final a la parte inferior del molde.
Colocación de tubos huecos para dejar el espacio a los respiraderos.
Apisonado en la parte superior del molde.
Separación del molde tras realizar el apisonado en ambas partes.
· Fundición:
26. Nos equipamos con ropa especial como pantalón, camisola, guantes, protectores de zapatos y careta para no sufrir percances en caso de algún accidente al maniobrar el aluminio líquido.
27. Encendemos el horno y esperamos a que alcance una temperatura aproximada de 650 °C ya que a esta temperatura es a la que se funde el aluminio.
28. Una vez que el metal estaba totalmente fundido dentro del crisol, con ayuda de unas tenazas el crisol se saca del horno y se colocaba sobre un círculo de metal que nos ayudará a manipular el crisol para verter el aluminio en los moldes.
29. En el suelo, con ayuda de unas pinzas se coloca y mueve dentro del crisol con metal fundido una pastilla, la cual hará que salga a flote toda la escoria contenida en nuestra fundición.
30. Con una coladera se quita toda la escoria que se acumulaba en la superficie del aluminio.
31. Con la ayuda de dos personas se sostiene y transporta el crisol, una de cada extremo, y se vacía en cada uno de los moldes.
32. Se deja enfriar los moldes.
33. Abrimos los moldes quitando las grapas y extraemos las piezas, dejando pasar un poco de tiempo llevamos nuestra pieza a una cubeta con agua para enfriar la pieza.
34. Se quitan las estructuras metálicas formadas por los respiraderos.
35. Una vez eliminados los sobrantes en la pieza se procede a limpiar el área de trabajo y regresamos todos los sobrantes de arena al contenedor donde se almacena.
Encendido del horno.
Equipo de seguridad empleado.
Molde con aluminio líquido.
Eliminación de arena en los moldes para obtener la pieza y proceder a enfriarla.
Pieza final.
CONCLUSIONES
El proceso es un tanto complejo, toma tiempo considerable y como se mencionó con antelación, a pesar de ser práctico, tiene detrás una base bien fundamentada en ciencias como: ciencia de materiales, diseño y termodinámica, ya que incluso para el diseño de los modelos debe de ser tomados en cuenta factores importantes tales como la contracción del metal una vez solidificado. 
Como algunos consejos prácticos durante la realización del molde, se debe mencionar que la arena debe de estar correctamente compactada para evitar que durante el vaciado del metal este arrase con las paredes del molde y quede alguna imperfección u otra figura no deseada. Los respiraderos deben de estar bien delimitados para que la fuga de los gases se realice apropiadamente y no haya estancamiento del metal en alguna parte del molde.
La seguridad es un factor altamente importante en la realización de la práctica, ya que durante la misma pueden ocurrir accidentes como el derramamiento del líquido, en el proceso industrial no es común que esto lo hagan personas, pero en el laboratorio es fundamental que el crisol lo sostengan personas con suficiente fuerza y resistencia para evitar algún accidente.
	
	
	esquivel gonzález CÉSAR ANTAR	29