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• Carlos J. Amortegui

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PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA

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GUIA DE LABORATORIO: FUNDICIÓN EN ARENA LABORATORIO DE PROCESOS BÁSICOS DE MANUFACTURA

TIEMPO: 3 HORAS

FINALIDAD 1. 2. 3. 4. 5.

CONTENIDOS CLAVE

Conocer y aplicar las normas de seguridad para desarrollar un proceso de fundición Conocer los parámetros para el diseño y elaboración de una pieza metálica por medio de una fundición en arena. A partir del volumen y las dimensiones de la pieza final establecer el volumen y las dimensiones del modelo y del molde. Establecer los pasos a seguir para desarrollar un proceso de fundición en arena. Diseñar las diferentes pequeñas piezas a fundir o usar el modelo con que cuenta el laboratorio.

1. 2. 3.

4.

Calentamiento del metal. Vaciado del metal (cálculos). Solidificación y enfriamiento del metal fundido. a. Tiempo de solidificación. b. Contracción. Diseño de la Mazarota.

RECURSOS • • • • • • • •

Solidworks. Herramientas manuales. Instrumentos de medida: calibrador. Horno eléctrico. Modelos Cajas de moldeo Arena Bentonita.

RESUMEN DEL MARCO TEÓRICO La fundición de metales es un proceso que se puede remontar al descubrimiento del hierro en el año 5000 A. C. en China bajo el emperador Fou-Hi. Desde esa época hasta el 3000 A. C aproximadamente el calentamiento de los metales se hacía por medio de carbón de leña y los moldes se elaboraban en piedras blandas como esteatita y la andesita. Para el año 1500 A. C. se encuentran fundiciones de cobre con arsénico, estaño, oro y plata desarrolladas por los egipcios. Más adelante, en el año 1000 A. C. los griegos desarrollan las fundiciones de hierro. En el caso Colombiano la primera ferrería data de 1824 y fue fundada por el Ingeniero alemán Jacobo Wiesner en Pacho, Cundinamarca, esta ferrería cerró en 1896. La fundición en arena se encuentra dentro de los procesos de fundición que se catalogan como de molde desechable y de los más utilizados en las fundiciones de metal pues cerca del 70% se elaboran por medio de la fundición en arena. Esto gracias a que la fundición en arena es relativamente económica y la capacidad refractaria de la arena hacen que incluso se pueda usar para elaborar fundiciones en acero. En la siguiente imagen se pueden ver las diferentes partes que constituyen un molde de arena

Tomado de http://www.custompartnet.com/wu/images/sand-casting/mold-closed.png Entre los componentes que se pueden observar de la imagen anterior están el bebedero (sprue), la mazarota (riser) los respiraderos (open riser), los canales de llenado (runner), los insertos o corazones (core), los sujetadores (chaplet), la línea de partición (parting line), el molde superior (cope), el molde inferior (drag), entre otros. Cada una de estas partes tiene una función particular por ejemplo el bebedero recibe el metal y lo lleva hacia el interior del molde, la mazarota suministra el metal adicional necesario para contrarrestar el proceso de contracción durante la solidificación del metal, los canales de llenado llevan el metal fundido desde la mazarota hasta la

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RESUMEN DEL MARCO TEÓRICO cavidad del molde, los insertos que generan cavidades huecas dentro de la pieza fundida y los respiraderos que el flujo hacia el exterior del aire y gases. En el proceso de fundición hay variables importantes que se debe tener en cuenta para tener un control del proceso, una de ellas es el calentamiento del metal para que alcance la temperatura necesaria de fusión. Para ello se debe calcular la energía calorífica requerida que es la suma del calor para elevar la temperatura del metal hasta el punto de fusión, el calor de fusión para convertir el metal de sólido a líquido y el calor para elevar al metal fundido a la temperatura de vaciado.

H = ρV {CS (Tm − T0 ) + H f + Cl (Tp − Tm )}

Donde H es el calor total requerido para elevar la temperatura del metal a la temperatura de fusión en J;

ρ densidad en g/cm3; CS es el calor específico en peso del material sólido en J/g°C; Tm es la temperatura de fusión

del metal en °C; T0 es la temperatura inicial del metal en °C; Hf es el calor de fusión en J/g; Cp es el calor específico en peso del metal líquido en J/g°C; Tp es la temperatura de vaciado en °C; y V es el volumen de metal que se calienta en cm3. Si se ignoran las pérdidas por fricción la ecuación de Bernoulli para flujo de fluidos se puede reducir a:

v = 2 gh Donde v es la velocidad del fluido (metal líquido) en la base del bebedero en cm/s; g es la gravedad (981cm/s2) y h es la altura del bebedero. No está de más recordar la ecuación de continuidad:

Q = v1 A1 = v2 A2

Donde Q es el caudal o la velocidad del flujo volumétrico en cm3/s; v es la velocidad en cm/s y A es el área de la sección trasversal del líquido. Esta ecuación muestra que a mayor área transversal se presenta una menor velocidad del fluido en esa sección. A partir de esto se puede hacer una aproximación del tiempo requerido para llenar la cavidad completa del molde por medio de la ecuación:

MFT =

V Q

Donde MFT es el tiempo de llenado del molde en s; V es el volumen de la cavidad del molde en cm3 y Q es la velocidad del flujo volumétrico en cm3/s. Tiempo de solidificación: Se puede calcular por medio de

⎛V ⎞ TST = Cm ⎜ ⎟ ⎝ A⎠

n

Que es una relación empírica conocida como la regla de Chvorinov y donde TST es el tiempo de solidificación total en min, V es el volumen de fundición en cm3; A es el área superficial de la fundición en cm2; n usualmente es 2 y Cm es la constante del molde que toma unidades de min/cm2. Esta última variable se puede encontrar por medio de la experimentación usando fundiciones previas con el mismo material de molde, metal y temperatura de vaciado. Contracción Se presenta en tres pasos, primero una contracción líquida durante el enfriamiento anterior a la solidificación, segundo una contracción de solidificación que se presenta durante el cambio de fase de líquido a sólido y tercero una contracción térmica de la fundición solidificada durante el proceso de enfriamiento a la temperatura ambiente. Esto se debe tener en cuenta para sobredimensionar las cavidades de los moldes. Finalmente se debe tener en cuenta la fuerza de flotación pueda mover el corazón, para evitar esta situación se necesita que el peso del corazón sea igual al del metal desplazado. Para calcular la fuerza de flotación se tiene la ecuación:

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T

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RESUMEN DEL MARCO TEÓRICO Fb = Wm − Wc Donde Fb es la fuerza de flotación en N (Lb), Wm es el peso del metal fundido desplazado en N (Lb) y Wc es el peso del corazón en N (Lb).

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NORMAS DE SEGURIDAD Y/O RECOMENDACIONES En el momento de realizar la práctica se debe tener en cuenta que: • Los estudiantes deben tener puestos todos los implementos de seguridad necesarios, en este caso son: o Guantes largos de carnaza o asbesto para proteger las extremidades superiores. o Overol o Gafas de seguridad o Careta o Botas de seguridad, preferiblemente con puntera de acero o Peto • Para un manejo adecuado del horno eléctrico se debe: o Utilizar los elementos de protección para temperatura o Asegurarse que las conexiones eléctricas se encuentren en perfecto estado. o Evitar cualquier contacto con los terminales eléctricos de las resistencias del horno o cualquiera de sus partes. o Mantener el crisol en una posición estable para evitar derramar metal sobre las resistencias del horno. • Para un manejo adecuado del horno a gas se debe: o Utilizar los elementos de protección para temperatura. o Evitar cualquier contacto con cualquiera de sus partes. o Verificar que no se presente ninguna fuga de gas. • Para un manejo adecuado del metal fundido: o Evite derramar el metal fundido. o Evite inhalar los vapores que se emanan durante el proceso.

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PRÁCTICA DE LABORATORIO En esta práctica los estudiantes pueden seleccionar entre diseñar la pieza que quieren elaborar por fundición en arena o usar los modelos con los que se cuentan en el laboratorio de producción. Si se deciden por diseñar la pieza deben tener en cuenta que el modelo debe tener los canales de llenado, elabores en solidworks los planos de fabricación del modelo o el sólido que representa el modelo para realizarlo en la prototipadora, tenga en cuenta el costo del material. 1. Arme las cajas de moldeo

2.

(ESCUELA COLOMBIANA DE INGENIERÍA, 2008) En una de las cajas de moldeo monte la placa modelo

(ESCUELA COLOMBIANA DE INGENIERÍA, 2008)

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PRÁCTICA DE LABORATORIO 3.

4.

5.

6.

Esparza la arena sobre la mesa de trabajo para realizar el proceso de recuperación de la misma y usando los cilindros disponibles muela la arena hasta obtener un menor tamaño de grano.

(ESCUELA COLOMBIANA DE INGENIERÍA, 2008) Pase la arena que va moliendo por el tamiz para garantizar la granulometría de la misma

(ESCUELA COLOMBIANA DE INGENIERÍA, 2008) Cuando obtenga la cantidad de arena necesaria para llenar toda la caja de moldeo comience a mezclarla con agua y bentonita aproximadamente al 5% en peso buscando una mezcla que se compacte y que no tenga un exceso de humedad.

(ESCUELA COLOMBIANA DE INGENIERÍA, 2008) Cuando tenga una mezcla homogénea en la que se observe su capacidad de compactación, comience a llenar las dos cajas de moldeo. No olvide que sobre los conductos de llenado de la placa modelo hay un punto en el cual debe colocar un accesorio de forma cónica (vástago) que dará forma al bebedero.

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PRACTICA DE LABORATORIO

7.

(ESCUELA COLOMBIANA DE INGENIERÍA, 2008) A medida que va avanzando en ingresar la arena a las cajas de moldeo utilice el apisonador para compactar la arena, en un principio asegúrese de mantener el vástago en su sitio mientras apisona la arena.

8.

(ESCUELA COLOMBIANA DE INGENIERÍA, 2008) Realice el mismo procedimiento la caja modelo del molde inferior

9.

(ESCUELA COLOMBIANA DE INGENIERÍA, 2008) Retire cuidadosamente el modelo del vertedero (vástago)

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PRACTICA DE LABORATORIO

(ESCUELA COLOMBIANA DE INGENIERÍA, 2008) 10. Con el trompo aumente el tamaño de la boca del vertedero

(ESCUELA COLOMBIANA DE INGENIERÍA, 2008) 11. Ubique la caja de moldeo del molde inferior sobre la mesa en la posición en la cual se fundirá el material. 12. Gire la caja de moldeo del molde superior y cuidadosamente retire la placa modelo. 13. Gire nuevamente la caja de molde del molde superior y ubíquela sobre la caja de moldeo inferior usando las guías de alineación. 14. A la par con el proceso de elaboración del molde calcule a partir del modelo, el volumen de material fundido que ocupara la cavidad del molde. No olvide tener en cuenta que el metal fundido ocupará desde el bebedero hasta la cavidad del molde pasando por los canales de llenado. Recuerde que el metal fundido tiene una contracción en el proceso de solidificación. Contracción volumétrica debido a: Metal Contracción por solidificación % Contracción térmica del sólido % Aluminio 7.0 5.6 Aleación de aluminio (típica) 7.0 5.0 Fundición de hierro gris 1.8 3.0 Fundición de hierro gris al 0 3.0 alto carbono Fundición de acero al bajo 3.0 7.2 carbono Cobre 4.5 7.5 Bronce (Cu-Sn) 5.5 6.0 (Groover, 1997) 15. Suponga que usted fue el diseñador de uno de los modelos con que cuenta el laboratorio. Calcule cual es el volumen de la pieza fundida que esperaría tener por efectos de la contracción del material. De un estimado de cómo esta contracción afecta las dimensiones finales de la pieza fundida.

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PRÁCTICA DE LABORATORIO 16. Tome el crisol y deposite en él la cantidad volumétrica de material a fundir que calculó anteriormente. Llévelo al horno hasta que alcance la temperatura de vaciado. 17. Calcule el calor total requerido para elevar la temperatura del metal hasta la temperatura de vaciado. No olvide las restricciones de uso que tiene la ecuación para el cálculo del calor total. (Groover, 1997) pág. 245. 18. Vierta el metal fundido en el agujero del vertedero siendo cuidadoso con la velocidad del metal fundido para evitar defectos de fundición y salpicaduras. 19. Calcule la velocidad que tiene el metal fundido cuando llega al final del bebedero y comienza a llenar la cavidad del molde. 20. Calcule el tiempo de llenado del molde. 21. Espere a que el metal fundido se solidifique. Calcule también el tiempo de solidificación. 22. Separe las cajas de moldeo 23. Extraiga la pieza fundida 24. Suponga que debió usar un corazón cuyo volumen es el 25% del volumen de la pieza fundida. Calcule la fuerza de flotación.

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BIBLIOGRAFÍA 1. 2.

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Alting, L. (1990). Procesos para Ingeniería de Manufactura (3 ed.). México, México: Alfaomega. ESCUELA COLOMBIANA DE INGENIERÍA. (Agosto de 2008). Laboratorio de Producción. Recuperado el 30 de Mayo de 2012, de Procesos Industriales Fundición: http://copernico.escuelaing.edu.co/lpinilla/www/protocolos/PMAN/fundicion.pdf Groover, M. P. (1997). Fundamentos de manufactura moderna: materiales, procesos y sistemas (1 ed.). México, México, México: Pearson Educación. Kalpakjian, S., & Schmid, S. R. (2002). Manufactura, ingeniería y tecnología (4 ed.). México, México, México: Pearson Educación. Neely, J. E., & Kibbe , R. B. (1992). MATERIALES Y PROCESOS DE MANUFACTURA . LIMUSA. Schey, J. A. (2001). Procesos de Manufactura (3 ed.). México, México: McGraw-Hill. Timings, R. L. (2001). Tecnología de la fabricación: Soldadura, fundición y metalmecánica (1a ed., Vol. 3). Alfaomega. Valencia Giraldo, A. (s.f.). Los Ingenieros y la Cimentación de la República Colombiana. Recuperado el 12 de Julio de 2012, de Ingeniería & Sociedad: http://aprendeenlinea.udea.edu.co/revistas/index.php/ingeso/article/viewFile/4800/4230

Otras fuentes 1. .. http://www.youtube.com/watch?v=rgL2Jn5mk1A