• Categories
• Fundición (Metalurgia)
• Aluminio
• Mecanizado
• Eje
• Acero

Citation preview

UN ESTUDIO DE DISEÑO EN FUNDICIÓN DÚCTIL. LA CARCASA DEL EJE PARA UN MINICARGADOR Esquema del estudio de diseño • Introducción • Diseño para el costo y el rendimiento El cilindro Las costillas de refuerzo • Diseño para la fabricabilidad Diseño del núcleo Solidificación controlada • Control de los costos de los patrones • Diseño y vaciado finalizados • Lecciones aprendidas y resumen

Comencemos el estudio de diseño

RECONOCIMIENTO Los ejemplos de diseño de fundición de metales son un esfuerzo en conjunto de La Sociedad Americana de Fundición y la Sociedad de Fundadores de Acero de América. El financiamiento del proyecto fue proporcionado por el proyecto del consorcio Fundición de metal estadounidense, patrocinado por la Agencia de logística de defensa, a la atención: DLSC-T, Ft. Belvoir, VA 22060-6221

CARCASA DEL EJE PARA UN MINICARGADOR La aplicación: la carcasa del eje es un componente estructural clave en el tren de transmisión del minicargador Mustang, usado para levantar y mover tierra y elementos pesados en sitios de construcción. Las carcasas de los ejes sirven como puntos de montaje para los ejes delantero y trasero y contienen los conjuntos de cojinetes que soportan los ejes. Descripción del componente: la caja del eje está diseñada como un cilindro en una placa de base rectangular con un peso total de 65 libras. La carcasa es de 9 "de alto y la placa base es de 12" x 15 ". El cilindro está reforzado con cuatro refuerzos de costillas y la placa base tiene ocho orificios de montaje para atornillar la carcasa al marco. Los orificios de montaje tienen forma de ranura para usar en dos modelos de cargadores de diferentes tamaños. • Los problemas críticos de rendimiento de la carcasa son la alta rigidez, la resistencia a la carga y los esfuerzos de impacto y la alineación de los ocho orificios de los pernos.

• Hay cuatro carcasas de eje en cada cargador y la producción anual es de 8,000 carcasas. • La aleación especificada es hierro fundido dúctil Grado 80-55-06.

FUNDICIÓN DE HIERRO DÚCTIL PARA REDUCIR

COSTOS Y MEJORAR EL RENDIMIENTO Los Desafíos: originalmente diseñado como un ensamblaje soldado de 6 piezas de acero, el ensamblaje de la carcasa: - Tuvo costos de fabricación significativos en la fijación y soldadura del ensamblaje. - Se requiere un mecanizado extenso para ocho ranuras para pernos, 3 cavidades internas para cojinetes y 4 refuerzos de costillas. - No fue optimizado para fuerza y ahorro de peso.

12 in

15 in

Beneficios de usar una fundición de hierro dúctil: • El estudio de diseño de fundición mostró que el costo de la carcasa podría reducirse en un 15% (en comparación con el diseño original del ensamblaje) al usar fundición de hierro dúctil en moldes de arena. Esta reducción de costos se logró mediante: –Mejora de la forma de red cercana que eliminó los pasos de corte, ensamblaje y soldadura y redujo las operaciones de mecanizado. • La conversión a una pieza de fundición optimizó el peso y la resistencia del componente con secciones transversales más robustas en secciones con tensión y peso reducido en volúmenes sin tensión. • rediseño de los nervios de refuerzo provistos para facilitar el acceso a la herramienta durante el atornillado de la carcasa al marco.

LOS PROBLEMAS DE DISEÑO DE FUNDICIÓN El enfoque de diseño de la fundición:

Los ingenieros de diseño de fundición de la empresa Dotson de Mankato, MN tenían tres imperativos para un diseño de fundición integrado: - Diseño para el rendimiento - Diseño para la fundabilidad / Fabricabilidad - Diseño para el Costo

Problemas críticos de diseño de fundición: Los requisitos de rendimiento, capacidad de fabricación /

fundición y costo están estrechamente interconectados. Cuatro problemas de diseño de fundición jugaron un papel importante en el cumplimiento de los tres imperativos de diseño:  Revise el diseño del componente (cilindro y costillas de refuerzo) para eliminar los pasos de mecanizado, reducir el peso y reducir las tensiones.  Diseñe el núcleo para mantener las tolerancias y la alineación precisas para las ocho ranuras de los pernos.  Desarrollar el diseño del molde para controlar la solidificación y producir la microestructura y las propiedades del material deseadas.  Seleccione un método de producción de herramientas para minimizar el costo de la herramienta durante la ejecución de producción extendida

COSTO Y AHORRO DE PESO Y MEJORA DE LA FUERZA • En el diseño soldado original, el cilindro tenía un espesor de pared uniforme de 1.575 ”, que proporcionaba el stock de mecanizado requerido para el bolsillo del rodamiento y el orificio del eje del eje. Además la placa base tiene dos operaciones de mecanizado. - El stock de mecanizado se muestra en rojo(mecanizado en bruto) y verde- (mecanizado terminado).

Original OriginalWelded WeldedDesign Design

La tecnología de fundición proporciona una capacidad de fabricación de forma casi neta, que se puede usar para mejorar el diseño con: • Fundición de forma casi neta, lo que reduce los requisitos de mecanizado • Reducción de peso en áreas sin tensión. • Transiciones geométricas más suaves para reducir las concentraciones de esfuerzo.

Diseño de cilindro para ahorro de costo / peso y mejora de fuerza Con la flexibilidad del diseño de fundición, hay oportunidades para reducir el stock de maquinado y el exceso de peso y para reducir las tensiones a través de una geometría optimizada y un redondeo generoso.

El dibujo de la derecha muestra cinco áreas potenciales para la conformación de redes cercanas y la reducción del estrés. Característica Característica Característica Característica Característica

# 1 - Radio en el borde exterior superior # 2 - Bolsillos de cojinetes superiores # 3 - Orificio del eje del eje # 4 - Grosor de la pared interna # 5 - Filete en la base del cilindro

• Elija tres características que tienen el mayor beneficio para reducir los costos y el peso del maquinado y mejorar la resistencia

CARACTERÍSTICAS # 1 Y # 2 - CILINDRO SUPERIOR Característica # 1.- Los bordes exteriores en la parte superior del cilindro no son secciones tensas. Un borde redondeado no es una característica de diseño crítica para la reducción del estrés.

– Un borde ligeramente redondeado es deseable para la apariencia (0.25" radio) Característica # 2 - Los bolsillos de los cojinetes en las secciones superior e inferior de los cilindros son buenos candidatos para reducir el material de mecanizado. - En el diseño soldado original, se requirió stock adicional para las dos operaciones de mecanizado (en bruto y el acabado) para cada bolsillo del rodamiento. Con la fundición casi en forma de red, los pasos de mecanizado en bruto pueden eliminarse y solo se requiere un mecanizado de acabado para las cavidades de los rodamientos.

REGRESE A LA PÁGINA DE DISEÑO DEL CILINDRO O CONTINÚE CON EL SIGUIENTE PROBLEMA DE DISEÑO

CARACTERÍSTICAS DEL CILINDRO INTERIOR # 3 Y # 4 Característica #3: los orificios del eje del eje no requieren una operación de mecanizado; así que la fundición no proporciona una ventaja de forma casi neta aquí. Característica #4: con una pieza de fundición, el grosor de la pared de la sección del cilindro inferior se puede contornear, ahorrando peso y costos de metal.  La geometría del diámetro interior se produce utilizando un núcleo de arena en el molde para formar la cavidad interior del cilindro.

Regrese a la página de diseño del cilindro o continúe con el siguiente problema de diseño

FUNCIÓN DE FILETE #5 Característica #5: La unión del cilindro a la base de soporte es una región altamente estresada y debe redondearse (radio de 0.5 ") • Un filete generoso entre el cilindro y la base reducirá notablemente la concentración de tensión en esta coyuntura crítica.

Regrese a la página de diseño del cilindro o continúe con el siguiente problema de diseño

DISEÑO DE COSTILLAS PARA AHORRO DE COSTOS Y MEJORA DE LA FUERZA • Los nervios de refuerzo en la caja del eje cumplen una función estructural importante, sujetando y apoyando el cilindro principal contra las tensiones de flexión. - Como se diseñó originalmente, las costillas eran triangulares, rectas y relativamente delgadas. El grosor de las costillas se vio limitado por la necesidad de espacio para la arandela y la llave de los pernos de montaje, como se muestra. • Con la flexibilidad de diseño en la fundición, el diseñador puede remodelar las costillas de refuerzo para acomodar geometrías complejas y mejorar la resistencia y la rigidez.

Diseño de costillas para ahorro de costos y mejora de la fuerza o El diseñador de casting tiene tres opciones para rediseñar las costillas de refuerzo  Opción A: forme un ángulo con las costillas alrededor de las

ranuras de los pernos para proporcionar el espacio necesario para las arandelas de los pernos.  Opción B: incline las costillas alrededor de las ranuras de los pernos y aumente el grosor de las costillas para agregar resistencia y rigidez  Opción C: ensanche las costillas y muévalas a 0o, 90o, 180o y 270o para dejar espacio para los orificios de los pernos.

¿Qué opción elegiría (opción A, B o C)?

OPCIÓN A - COSTILLAS EN ÁNGULO En la Opción A, las costillas se remodelan para formar un ángulo alrededor de las ranuras de los pernos. • esto proporciona espacio para las arandelas en los pernos, así como un fácil acceso a las llaves durante el montaje. • La reducción de la altura de las costillas proporciona más espacio y reduce la interferencia con el diámetro interior del cubo de la rueda. • Pero las costillas son del mismo grosor que el diseño original; un aumento en el espesor proporcionaría resistencia y rigidez adicionales. La opción A es una buena mejora de diseño, pero no aborda la oportunidad de mejorar la resistencia y la rigidez. VUELVE A LA PÁGINA DE OPCIONES DE DISEÑO DE COSTILLA

OPCIÓN B - COSTILLAS EN ÁNGULO CON ESPESOR ADAPTADO En la Opción B, las costillas están remodeladas con

dos cambios de diseño que proporcionan espacio para la herramienta y mejoran la resistencia y la rigidez. • orificios de los pernos proporciona el espacio necesario para la herramienta, La inclinación de las costillas alrededor de los. • El engrosamiento de las costillas proporciona un aumento de la resistencia y la rigidez, con la consiguiente mejora de la durabilidad. • La reducción de la altura de las costillas proporciona más espacio y reduce la interferencia con el diámetro interior del cubo de la rueda. La opción B es la mejor combinación de mejoras de diseño.

IR A LA PRÓXIMA EDICIÓN DE DISEÑO

OPCIÓN C - COSTILLAS CAMBIADAS CON ESPESOR ADAPTADO En la Opción C, las costillas se engrosan y luego se desplazan para proporcionar espacio para la herramienta en los orificios de los pernos. • El engrosamiento de las costillas proporciona un aumento de la resistencia y la rigidez, con la consiguiente mejora de la durabilidad. • El cambio de las costillas a las posiciones 0o, 90o, 180o y 270o proporciona el espacio necesario para los orificios de los pernos. Pero también acorta el brazo de palanca para las costillas de refuerzo (en comparación con las posiciones diagonales). Esto reducirá el efecto de rigidez de las costillas. • La altura completa y el ángulo recto de las costillas causan interferencia con el diámetro interior del cubo de La opción C no es el mejor diseño para proporcionar la rueda. espacio para la herramienta, mejorar la resistencia y proporcionar espacio para el cubo

VUELVE A LA PÁGINA DE OPCIONES DE DISEÑO DE COSTILLA

DISEÑO DEL MOLDE Y NÚCLEO PARA LA PRODUCCIÓN DE RANURAS • Las ranuras de los pernos en el diseño soldado original fueron características mecanizadas. Uno de los principales beneficios de una pieza de fundición es la capacidad de formar directamente las ranuras de los pernos y eliminar los requisitos de mecanizado. -

Las ranuras de los pernos son características críticas que deben estar bien alineadas para que coincidan con los ocho pernos en el bastidor del cargador. Las ranuras de los pernos se forman en la fundición con núcleos (un inserto hecho de arena que se utiliza para formar una cavidad en la fundición) colocados en el molde.

• El ingeniero de fundición tiene una opción en el diseño del núcleo para producir las ranuras de los pernos. Sus opciones son:  Opción A: fabricación y posicionamiento de un solo núcleo pequeño para cada ranura: un total de ocho núcleos en el molde principal.  Opción B: fabricar una placa de núcleo único con 8 características de ranura incorporadas y colocar esa placa de núcleo único en el molde.

SE MUESTRAN LAS DOS OPCIONES PRINCIPALES (OPCIÓN A Y OPCIÓN B)

Teniendo en cuenta el requisito de alineación frente al costo de un núcleo más complejo, ¿qué opción elegiría?

La opción C no es el mejor diseño para proporcionar espacio para la herramienta, mejorar la resistencia y proporcionar espacio para el cubo

OPCIÓN A - MÚLTIPLES NÚCLEOS La opción A utiliza ocho núcleos individuales para producir las ranuras de los pernos. • Sobre la base del costo, la producción de ocho núcleos simples para cada fundición es simple y de bajo costo. • Un aspecto negativo en el uso de los ocho núcleos individuales es que es difícil asegurar que los ocho núcleos estén posicionados con precisión en el molde para producir ranuras de pernos bien alineadas. • También hay costos de tiempo involucrados en la colocación de ocho núcleos individualmente. La opción A (varios núcleos) no es el mejor enfoque de diseño para las ranuras de los pernos.

REGRESE A LA PÁGINA DE OPCIONES DE DISEÑO DE NÚCLEO

OPCIÓN B - NÚCLEO DE PLACA ÚNICA La opción B utiliza un solo núcleo de placa plana con ocho características de ranura para producir las ranuras de los pernos. • Sobre la base del costo, la producción de un solo núcleo de placa con las características de las ranuras de los pernos es más costosa que los núcleos individuales para los orificios de los pernos • El mayor beneficio al usar el núcleo de la placa es que la alineación de las ranuras de los pernos se controla y asegura de manera más precisa . Esta mejora en la calidad justifica el costo adicional de un núcleo de placa

• La opción B (núcleo de placa única) es el mejor enfoque de diseño para las ranuras de los pernos

IR A LA PRÓXIMA EDICIÓN DE DISEÑO

DISEÑO DEL MOLDE PARA CONTROLAR LAS TASAS DE ENFRIAMIENTO Y LA SOLIDIFICACIÓN • Las propiedades mecánicas (resistencia, ductilidad, dureza, maquinabilidad) de las aleaciones de hierro / acero están determinadas en gran medida por la microestructura de la aleación formada durante la fabricación y el tratamiento térmico. - Si las secciones de una fundición de hierro dúctil se enfrían demasiado rápido, la formación de carburo de hierro puede aumentar la dureza de la fundición y reducir la capacidad de mecanizado en esa sección.

• El enfriamiento rápido tiende a ocurrir en las secciones aisladas de pared delgada. El ingeniero de fundición puede retener el calor y evitar un enfriamiento excesivamente rápido mediante el diseño y la colocación de las bandas que actuarán como fuente de calor y de alimentación de metal fundido. El dibujo muestra la carcasa, orientada "base hacia arriba" para fundir en el molde) Seleccione la sección (# 1, # 2 o # 3) que es delgada y aislada, donde podría ocurrir un enfriamiento rápido y reducir la capacidad de mecanizado.

CARACTERÍSTICAS # 1 Y # 3 - SECCIONES AISLADAS

Características # 1 y # 3 • Característica #1: la parte superior de la costilla de refuerzo es una sección aislada; sin embargo, es una región sin tensión donde no se requiere el mecanizado. La formación de carburo de hierro no tendría un efecto negativo y las velocidades de enfriamiento no son un problema. • Característica #3: la parte superior del cilindro con el bolsillo del cojinete es un área donde se requiere el mecanizado (OD e ID), pero el grosor de la pared adyacente al bolsillo es suficiente para retener el calor y evitar el enfriamiento excesivo. • Las características # 1 y # 3 no requieren características especiales para controlar la transferencia de calor.

Vuelve a la página de Opciones

CARACTERÍSTICA # 2 - PLACA BASE Característica # 2 La parte inferior de la placa base con su brida de acoplamiento inferior requiere tres pasos de mecanizado - El diámetro de la brida de acoplamiento - La cara general de la placa base - una ranura De toque La placa base es un área crítica donde se puede producir un enfriamiento rápido y donde se debe controlar la maquinabilidad. •

•

La velocidad de enfriamiento en la placa base se puede controlar mediante el uso de un elevador grande en el molde para proporcionar calor adicional. Se muestran la ubicación y el tamaño del elevador.

Ir a la próxima cuestión de diseño

CONTROLAR LOS COSTOS DEL PATRÓN • Uno de los costos de fabricación en la fundición es el costo de preparar el patrón.  El patrón se utiliza para formar la cavidad en el molde de arena. La cavidad está formada para producir los contornos y dimensiones deseados de la pieza final.  El patrón se coloca en el marco abierto (matraz) y la arena se envuelve alrededor del patrón. Luego se retira el patrón / herramienta, dejando la cavidad de fundición en el molde de arena.

El aluminio es el material de elección para este patrón. El ingeniero de fundición tiene una opción de diseño de cómo se fabricará el patrón con un impacto directo en el costo del patrón.

Elija un método de fabricación para el modelo de aluminio fundido o maquinado basado en su estimación del mejor valor y un balance de los costos de mecanizado, la vida útil del patrón y los requisitos de tolerancia.

MATERIALES DE MODELO Método de fabricación de patrones

Costo relativo del patrón

Durabilidad y acabado superficial

Tooling Tolerance

Aluminio moldeado

1X

Vida limitada con posibles defectos superficiales que aparecen con el desgaste acumulado.

+/- 0.030"

Aluminio mecanizado

3X

Vida extendida sin defectos superficiales que aparecen con el desgaste acumulado.

+/- 0.005"

El aluminio mecanizado es el material de patrón más rentable para este ciclo de producción a largo plazo (8,000 / año, varios años).

Una Foto cercana del patrón de arrastre que muestra detalles en el cilindro con la impresión para colocar el núcleo del cilindro.

DISEÑO FINAL DE MOLDES PARA LA CARCASA DEL EJE

El dibujo muestra una sección transversal del molde final que ilustra la cavidad del molde, la colocación de los centros del centro y de la placa en el molde de arrastre, y la colocación de la columna ascendente en el molde de la cofia.

DISEÑO FINAL DE LOS PATRONES / HERRAMIENTAS DE COPE Y DRAG.

• Las fotos de arriba muestran las herramientas de la placa de coincidencia para hacer la cofia y los moldes de arrastre. • El diseño final del molde utiliza una línea de separación horizontal, dos pulgadas por encima de la placa de soporte. El núcleo de panel plano se asienta en el molde de arrastre y forma la línea de partición primaria en el molde. • El metal fundido se alimenta por un bebedero lateral y se extiende a través de los corredores hacia las puertas en un lado de la pieza fundida. Hay un elevador grande posicionado en el molde de protección, desplazado desde el punto central .

DISEÑO FINAL DE LOS DOS NÚCLEOS



Las fotos de arriba muestran los dos núcleos utilizados para la carcasa del eje.



El núcleo del cilindro se coloca en el molde de arrastre para formar la cavidad interna de la caja del eje.



El núcleo de la placa se coloca en el molde de arrastre para formar la superficie superior de la placa base con las ranuras de los pernos.

FOTOS DE LA CARCASA DEL EJE COMO FUNDIDO Y MECANIZADO

 • Después de la sacudida, el recorte y la limpieza, se comprueba la tolerancia de las carcasas de la carcasa y se prepara para dos operaciones de acabado -

-Evaluación no destructiva - Pruebas de dureza Brinell

-

-Mecanizado - Fresar la parte inferior de la placa base y girar la identificación del cilindro para las cavidades del cojinete.

LAS LECCIONES APRENDIDAS Con el alojamiento del eje en el quinto año de producción, se aprendieron tres lecciones importantes en este exitoso rediseño y esfuerzo de producción. • Una fundición de hierro dúctil reemplazó el conjunto de acero soldado con un rendimiento equivalente y un ahorro anual de costos de $ 120,000. •

La conversión del conjunto soldado a una fundición produjo una pieza de forma cerca-neta con requisitos de mecanizado reducidos, ahorro de peso y un diseño final que simplificó la fijación final de la carcasa al marco.

• La ingeniería simultánea entre la fundición y el comprador fue crítica para alcanzar los objetivos de costo, calidad y calendario.

RESUMEN - FUNDICIÓN DE LA CARCASA DEL EJE EN HIERRO DÚCTIL • La caja del eje en el minicargador se convirtió en una fundición de hierro dúctil con un ahorro de 15% en el costo, logrado por: • •

Forma de red casi mejorada que reduce las operaciones de mecanizado. Fundición en arena para producción de bajo costo, alto volumen y justo a tiempo Para obtener más información sobre el diseño y la producción de este y otros retenidos de hierro dúctiles, comuníquese con Jim Clifford de Dotson Company, teléfono 507-345-5018, FAX 507-3451270, correo electrónico, jcliford @ dotson. Sitio web = http://www.dotson.com RECONOCIMIENTO Los ejemplos de diseño de fundición de metales son un esfuerzo en conjunto de La Sociedad Americana de Fundición y la Sociedad de Fundadores de Acero de América. El financiamiento del proyecto fue proporcionado por el proyecto del consorcio Fundición de metal estadounidense, patrocinado por la Agencia de logística de defensa, a la atención: DLSC-T, Ft. Belvoir, VA 22060-6221