Informe Práctica de Fundición

PRÁCTICA FUNDICIÓN DE CHUMACERA EN ALUMINIO UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA PROCESOS DE MANUFACTURA I Juan David Arcila Rodríguez 234726 Miguel Ángel Ciro Sánchez 234765 Juan Carlos León González 234716 Norbey Sichacá Soto 234719 Resumen Se presenta a continuación los cálculos para el diseño del sistema de alimentación y de colada, la simulación del proceso de llenado de la pieza usando el software Procast, el modelado de la pieza usando Catia para también obtener algunos parámetros relacionados con la inercia de la pieza, y los resultados de la práctica llevada a cabo en el laboratorio de fundición para obtener una chumacera en aluminio. Se compara el valor teórico de la pieza con el valor obtenido en la práctica, al igual que las dimensiones obtenidas con las nominales. Finalmente se hace un análisis de los defectos encontrados en la pieza.

1. INTRODUCCIÓN El proceso de fundición y colado de piezas continúa siendo uno de los más importantes en el área del conocimiento de la ingeniería. Su desarrollo se ha acelerado en los últimos años gracias a la aparición de nuevos materiales y especialmente debido al avance en diversas herramientas informáticas que permiten el modelamiento de las piezas y la simulación de todo el proceso con resultados casi exactos. Gracias a estos avances, el proceso de fundición es más seguro y eficaz. Aun así, la labor del ingeniero en el diseño y control del proceso sigue siendo fundamental. En el presente informe se combina el modelado de piezas en Catia y la simulación del proceso de fundición en Procast, ambos software especializados en diseño CAD y orientados a los procesos de manufactura, con el diseño y cálculo de los distintos elementos necesarios para fundir una chumacera en aluminio.

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2. MODELADO DE LA PIEZA EN CATIA Las Figuras 1 y 2 muestran el resultado de modelar la chumacera en Catia. En la Figura 2 se observa la pieza con el sistema de alimentación compuesto del bebedero, el canal y una entrada; Este ensamble será utilizado posteriormente para la simulación Procast.

Figura 1. Pieza modelada en Catia

Figura 2. Chumacera con sistema de alimentación

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3. CÁLCULOS SISTEMA DE COLADA El sistema de colada se compone del bebedero, el canal principal y las entradas. El área de obturación de la pieza se determina con la siguiente ecuación: 𝐴𝑐ℎ𝑜𝑘𝑒 =

𝑊𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝜌𝑙𝑖𝑞 𝑡𝐶 √2𝑔𝐻

(1)

Donde 𝑊𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 corresponde al peso total del material fundido que es igual al peso del metal fundido más un 30% correspondiente al bebedero, entrada y canal. 𝜌𝑙𝑖𝑞 Corresponde a la densidad del aluminio en estado líquido, 𝐶 es una constante que depende del tipo de molde y complejidad del modelo, para este caso se tomó como 𝐶 = 0,45. 𝑔 se refiere a la gravedad, y 𝐻 corresponde a la altura del bebedero; 𝑡 Corresponde al tiempo óptimo de llenado que se determina usando la ecuación (2) 𝑡 = 𝑆 3 √𝑊𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝛿

(2)

En la ecuación (2) el valor de 𝑆 hace referencia a un factor de tiempo adimensional que se puede tomar como 𝑆 = 1,2. Finalmente 𝛿 corresponde al espesor medio de la sección que se determinó con la ayuda de Catia (Figura 4). Catia permite fácilmente obtener distintos parámetros de la pieza asociados con su inercia; estos valores se presentan en la Figura 3:

Figura 3.Resultados obtenidos midiendo la inercia de la pieza en Catia

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Figura 4 Espesor promedio de la sección usando Catia

Con estos parámetros y usando las ecuaciones (1) y (2) se obtuvieron los siguientes resultados presentados en la :

Cálculos área de obturación Variables Unidades Material Densidad Sólido g/cm3 Densidad líquido g/cm3 Volumen cm3 Peso pieza g Peso total g Tiempo óptimo de llenado s Constante del molde Gravedad cm/s2 Altura bebedero cm Factor de tiempo Espesor mediio de la sección mm Área de obturación cm2

Parámetro Aluminio 2,71 2,41 224,4 608 790,4 8,42 0,45 980 10 1,2 30,04 0,6183

Tabla 1:

Cálculos área de obturación

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Variables Material Densidad Sólido Densidad líquido Volumen Peso pieza Peso total Tiempo óptimo de llenado Constante del molde Gravedad Altura bebedero Factor de tiempo Espesor mediio de la sección Área de obturación

Unidades g/cm3 g/cm3 cm3 g g s cm/s2 cm mm cm2

Parámetro Aluminio 2,71 2,41 224,4 608 790,4 8,42 0,45 980 10 1,2 30,04 0,6183

Tabla 1. Resultados área de obturación

Una vez obtenida el área de obturación se puede elegir un sistema presurizado en donde el flujo va desde una área mayor a una área menor lo que genera un incremento en la velocidad del metal líquido conforme avanza en el sistema pero a su vez genera una mayor turbulencia; por otro lado, se puede optar por un sistema despresurizado en donde el flujo pasa de una área menor a un área mayor generando una velocidad baja y menor turbulencia pero potenciales problemas de solidificación anticipada. Para este caso se ha optado por un sistema despresurizado. En este sistema el área de obturación se toma igual al área del bebedero. Para determinar el área del canal principal y de las entradas se tienen unas relaciones dadas en función del material; Para el aluminio una relación de áreas posible es la siguiente: 𝐴𝑏 : 𝐴𝑐 : 𝐴𝑒 = 1: 2: 3 𝐴𝑐ℎ𝑜𝑘𝑒 = 𝐴𝑏 = 0.6183𝑐𝑚2 Con estas relaciones y teniendo el área del bebedero ya calculada se muestran los resultados para el área del canal principal y el área de las entradas en la

Sistema Despresurizado Variables Área bebedero Relación áreas Área canal Área entradas Tabla 2:

Unidades Parámetro cm2 0,62 1:2:3. Ab: Ac: Ae cm2 1,24 2 cm 1,85

Sistema Despresurizado

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Variables

Unidades Parámetro cm2 0,62 1:2:3. Ab: Ac: Ae cm2 1,24 2 cm 1,85

Área bebedero Relación áreas Área canal Área entradas

Tabla 2. Resultados para las diferentes áreas del sistema de colada

Teniendo el valor de estas áreas se pueden obtener las dimensiones geométricas de cada elemento que compone el sistema de colada. Para el caso del bebedero se tienes las siguientes fórmulas para calcular el diámetro inferior y el diámetro superior: 𝐷𝑖𝑛𝑓 = √

4𝐴𝑏 𝜋

𝐷𝑠𝑢𝑝 = 1.25𝐷𝑖𝑛𝑓

(3) (4)

Para el ancho y altura del canal principal se tienen las siguientes ecuaciones: 𝐴𝑐 𝑎𝑛𝑐ℎ𝑜𝑐𝑎𝑛𝑎𝑙 = √ 1.25

(5)

𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎𝑐𝑎𝑛𝑎𝑙 = 1.5𝑎𝑛𝑐ℎ𝑜𝑐𝑎𝑛𝑎𝑙

(6)

Se ha dispuesto que el sistema de colada tenga una entrada; las dimensiones de cada entrada se calculan de la siguiente forma: (𝐴𝑒 ⁄# 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎𝑠) 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎𝑠 = √ 4

(7)

𝑎𝑛𝑐ℎ𝑜𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎𝑠 = 4𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎𝑠

(8)

Los resultados se muestran en la

Dimensiones sistema de colada Variables Unidades Parámetro Diámetro inf. Bebedero cm 0,89 Diámetro Sup. Bebedero cm 1,11 ancho canal principal cm 0,91 altura canal principal cm 1,36 2 área entrada cm 1,85 altura entradas cm 0,68 ancho entradas cm 2,72 Tabla 3:

Dimensiones sistema de colada

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Variables Diámetro inf. Bebedero Diámetro Sup. Bebedero ancho canal principal altura canal principal área entrada altura entradas ancho entradas

Unidades Parámetro cm 0,89 cm 1,11 cm 0,91 cm 1,36 2 cm 1,85 cm 0,68 cm 2,72

Tabla 3. Resultados para las dimensiones del sistema de colada

Es importante analizar la velocidad del flujo en cada parte del sistema de colada, es decir, la velocidad en el fondo del bebedero, en el canal y en las entradas; para ello se recurre a la ecuación de continuidad dando las siguientes relaciones: 𝑉𝑏 = √2𝑔𝐻𝑏𝑒𝑏𝑒𝑑𝑒𝑟𝑜

(9)

𝑄 = 𝑉𝑏 𝐴𝑏 = 𝑉𝑐 𝐴𝑐 = 𝑉𝑒 𝐴𝑒

(10)

Si se toma la altura del bebedero 𝐻𝑏𝑒𝑏𝑒𝑑𝑒𝑟𝑜 = 10𝑐𝑚 y reemplazando en las ecuaciones (9) y (10) con los datos obtenidos anteriormente se encuentran los resultados mostrados en la Tabla 4: Variables velocidad bebedero velocidad canal principal velocidad entradas

Unidades cm/s cm/s cm/s

Parámetro 140,00 70,00 46,67

Tabla 4. Distintas velocidades del flujo

Las velocidades del flujo en los distintos elementos del sistema de colada permiten determinar el régimen del flujo en cada sección; Para determinar el número de Reynolds se utiliza la siguiente ecuación: 𝑅𝑒 =

𝑉𝐷ℎ 𝜈

(11)

𝐷ℎ =

4𝐴 𝑃

(12)

Donde 𝑉 corresponde a la velocidad en cada sección, 𝐷ℎ hace referencia al diámetro hidráulico en cada sección calculado con la ecuación (12), y 𝜈 es la viscosidad cinemática del aluminio con valor de 0.012710 𝑐𝑚2 /𝑠. Al aplicar las ecuaciones (11) y (12) para el bebedero, el canal y las entradas se obtuvieron los valores presentados en la Tabla 5:

viscosidad cinemática aluminio Diámetro hidráulico entrada

cm2/s

0,012710

cm

1,09

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Diámetro hidráulico canal Reynolds bebedero Reynolds canal Reynolds entradas

cm -

1,09 9773,416 6000,84 4000,56

Tabla 5. Valores obtenidos del número de Reynolds en cada sección.

Como se puede observar el valor del número de Reynolds en el fondo del bebedero, en las entradas y en el canal principal supera el valor de 2300, por lo que el flujo se encuentra en régimen turbulento sin llegar a ser valores de turbulencia severa. Finalmente se muestran los modelados del bebedero, entradas y canal de alimentación parametrizados en Catia (¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. y ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.).

4. SISTEMA DE ALIMENTACIÓN Para determinar si es necesario incluir una mazarota que compense las contracciones del material es necesario calcular el Módulo de enfriamiento de la pieza; Este parámetro es la relación que existe entre el volumen de la pieza y el área superficial de la misma. En base a los valores arrojados por Catia se tiene el siguiente resultado: 𝑀𝑒,𝑝𝑖𝑒𝑧𝑎 =

𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 Á𝑟𝑒𝑎

=

397 𝑐𝑚3 = 0,64𝑐𝑚 = 6,4𝑚𝑚 617,3 𝑐𝑚2

A partir de este parámetro se calcula el módulo teórico de la mazarota usando la ecuación: 𝑀𝑚 = 1,3𝑀𝑒,𝑝𝑖𝑒𝑧𝑎 = 0,83𝑐𝑚 Se selecciona una mazarota cilíndrica con las siguientes dimensiones: ℎ = 2𝐷 Para calcular el diámetro existen diversas maneras, una de ellas es usando el módulo teórico de enfriamiento de la mazarota e igualando a la razón entre el volumen y área de la mazarota: 𝜋 2 𝐷 ℎ 𝐷 𝑀𝑚 = 4 = 2 𝜋𝐷 5 𝜋𝐷ℎ + 2 Despejando el diámetro se obtiene el siguiente resultado: 𝐷 = 5𝑀𝑚 = 5(0,83𝑐𝑚) = 4,17𝑐𝑚 Y la altura: ℎ = 2𝐷 = 2(4,5𝑐𝑚) = 8,34𝑐𝑚 En la Figura 5 se muestra la mazarota ubicada en la pieza.

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Figura 5. Pieza con sistema de alimentación y colada

5. FABRICACIÓN MODELO Para la fabricación del modelo se deben tener en cuenta dos aspectos fundamentales; el primero de ellos es el porcentaje de contracción del metal al cambiar de fase líquida a sólida. Para el aluminio este porcentaje de contracción se encuentra entre el 5 y 7%. Sin embargo por recomendación del instructor del SENA se sobredimensionó el modelo en todas las dimensiones en un 3% para compensar la contracción del metal fundido al solidificarse. El otro aspecto a tener en cuenta son los ángulos de salida que permitan la extracción del modelo sin dañar el molde. Para el modelo a fabricar se ha dispuesto tomar ángulos de salida de 2° en las caras perpendiculares entre sí. En la Figura 6 se observa el modelo fabricado en madera y la pieza fundida.

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Figura 6. Modelo fabricado en madera junto con la pieza fundida

6. PRÁCTICA DE FUNDICIÓN La práctica se realizó en el laboratorio de fundición de la universidad. Lo primero en realizarse fue la preparación de la arena para que tuviera la humedad necesaria para compactación. Posteriormente se colocó el modelo en la parte inferior de la caja para moldes y se empezó a llenar con la arena como se observa en la Figura 7.

Figura 7. Modelo en la caja para moldes

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Se volteó la caja y se realizó el canal y la entrada para el flujo del metal fundido hacia el interior del molde. Ver Figura 8

Figura 8. Realización del canal de entrada

Posteriormente se puso la parte superior de la caja y se llenó de arena. Luego se realizó el bebedero y se hicieron algunos agujeros para facilitar la extracción de gases.

Figura 9. Molde y sistema de alimentación.

Después de que se hubo fundido el aluminio en el horno se realizó la colada como se observa en la Figura 10 y se esperó a que se solidificara el metal y se enfriara.

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Figura 10. Vertido del aluminio fundido en el molde

Finalmente se retiró toda la arena y se extrajo la pieza como se observa en la Figura 11.

Figura 11. Pieza obtenida después de la fundición.

7. RESULTADOS OBTENIDOS Después de eliminar los excesos de material producto de las rebabas la chumacera quedó como se observa en la Figura 12: Después de realizar las mediciones sobre la pieza se evidencia que hay una disminución en la mayoría de las dimensiones respecto a las dimensiones nominales; En la Figura 13 se encuentra el plano mecánico de la pieza y en la Tabla 6 se comparan las dimensiones obtenidas más relevantes con las nominales.

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Figura 12. Chumacera después de eliminar las rebabas

Figura 13. Plano mecánico de la pieza

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Parámetro Ancho total (mm) Altura total (mm) altura base (mm) Espesor base (mm) Espesor superior (mm) diámetro interno (mm) Peso total (g)

Medida nominal

Medida real

Diferencia porcentual

160 108,9 25 30

158 106 24 28

1,25% 2,66% 4,00% 6,67%

22

22

0,00%

63

62

1,59%

608

595

2,14%

Tabla 6. Comparación medidas nominales y obtenidas

Como se aprecia en la Tabla 6 la mayor diferencia en longitud corresponde al 7% y hay una diferencia del 2,14% en el peso obtenido comparado con el esperado. Estas diferencias pueden deberse a una mayor contracción del metal fundido de la que se esperaba; un mayor sobredimensionamiento en el modelo con un porcentaje de alrededor 5% hubiera podido resultar en dimensiones mucho más cercanas a las nominales. Otro aspecto importante es observar si existe presencia de rechupes en la pieza final; Como se aprecia en la Figura 14 solo se encontró un rechupe en la pieza de un tamaño considerable. La presencia de este rechupe puede deberse a la no presencia de la mazarota que según los cálculos era necesaria pero que en la práctica no se utilizó.

Figura 14. Presencia de rechupes en la pieza

8. SIMULACIÓN EN PROCAST El software Procast es un software orientado hacia los procesos de fundición. Mediante técnicas de elementos finitos permite obtener resultados de todo el proceso de fundición. Los resultados se adjuntan por separado.

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Para realizar la simulación debe importarse la geometría. Para esto se utilizó la chumacera y el molde realizados en Catia como se observa en la Figura 15

Figura 15. Geometría importada desde Catia.

Posteriormente debe realizarse un enmallado como el que se muestra en la Figura 16

Figura 16. Enmallado en Procast.

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