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Este un pryecto realizado por estudiantes de la Universidad del Norte
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DIVISION DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA
PROCESOS DE FABRICACION
PROYECTO FINAL
Presentado por:
ALVAREZ FONTALVO JAIRO
DURAN LIZARAZO CINDY
MORENO LÓPEZ JAVIER
PALACIOS UJUETA MARIA
RUIZ POLO CHRISTIAN
Presentado a:
Ing. EDWIN ALVAREZ VIZCAINO
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BARRANQUILLA, NOVIEMBRE 27 DE 2008
TABLA DE CONTENIDO
PAG.
INTRODUCCION……………………………………………………………3
1. RESUMEN.…………….…………………………………………………….4
2. OBJETIVOS…………………………………………………………….……5
3. MARCO TEORICO………………………….……………………..………..6
3.1 Manufactura……………………………………………………………..6
3.2 Fundición………………………………………………………………...7
3.3 Etapas del Proceso……………………………………………………14
4. CREACION DE PINNO: PRODUCTOS INNOVADORES……………18
4.1 Misión…………………………………………………………………...18
4.2 Visión……………………………………………………………………18
5. PROCEDIMIENTOS...……………………………….............................19
5.1 Equipos y Materiales……..………………………………………......19
5.2 Procedimiento……..…………………………………………………..19
6. ANALISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS..…………...…………...25
6.1. Cálculos………………………………………………………………26
6.2. Costos de producción……………………………………………29
7. PROCESO ALTERNATIVO
2
8. CONCLUSIONES……………………………….…………………….......32
9. BIBLIOGRAFIA…………………………………………………………….33
10.ANEXOS……………..……………………………………………………..34
3
INTRODUCCIÓN
A lo largo del tiempo, la fundición y el maquinado se han considerado algunos de
los procesos de fabricación más importantes en la manufactura de piezas
metálicas. Estos procesos se remontan cerca de 2000 años A.C. y han tenido
grandes repercusiones en la historia debido a su gran uso en la industria y
tecnología. Y es precisamente, el estudio de estos procesos de fabricación lo que
nos lleva a la realización de este trabajo, el cual es una aplicación práctica de los
conocimientos adquiridos en la asignatura Procesos de Fabricación.
El proyecto tiene como fin la elaboración de un soporte de aluminio en fundición
de aluminio con sus respectivos pasadores, para ello es necesario planificar los
procesos que se deben realizar y los costos de fabricación.
Finalmente este trabajo puede ser de gran utilidad para los estudiantes de
ingeniería y carreras afines, profesores y además del público en general
interesado en el tema, ya que se expone de manera sencilla y práctica aspectos
importantes, procedimientos y cálculos de la producción de un material que pude
ser de gran uso en la industria.
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1. RESUMEN
Con la realización de este proyecto se busca desarrollar los conocimientos
obtenidos a lo largo del curso a través de la fabricación de una pieza de
manufactura.
Para la obtención de la pieza final se necesitaron de diversos parámetros como:
Tipo de material a fundir, fabricación y la sobredimensión del modelo, tipo y diseño
del molde, tiempo de solidificación, planos de la pieza final, códigos en CNC
(Control Numérico Computacional) para las respectivas operaciones de
maquinado de la pieza.
La fabricación de la pieza se llevó a cabo en las instalaciones de la Universidad
del Norte en el Laboratorio de Tratamientos Térmicos con el personal
debidamente capacitado en este tipo de procesos de manufactura.
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2. OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Diseñar todo el proceso de manufactura para la fabricación del soporte.
Fabricar un soporte en fundición de aluminio aplicando los procesos de
manufactura aprendidos en clase.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Desarrollar destrezas y habilidades en la aplicación e implementación de
las técnicas de manufactura aprendidas.
Conocer factores importantes que influyen en la selección de parámetros
para los procesos de fundición y maquinado.
Identificar algunos criterios de diseño de moldes.
Implementar lo aprendido en las clases teóricas de procesos de fabricación.
Calcular estimados del tiempo de solidificación de la pieza en el molde.
Diseñar el modelo requerido para realizar la práctica de la fundición,
teniendo en cuenta las contracciones volumétricas que experimentan los
metales cuando se solidifican. De esta manera, calcular las dimensiones
requeridas para obtener la pieza deseada.
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Diseñar el molde en arena para realizar la práctica de la fundición, teniendo
en cuenta las partes que lo componen tales como bebedero de colada (o
canal de alimentación), mazarota, caja superior e inferior.
Reconocer los diferentes parámetros que se deben tener en cuenta a la
hora de elegir la herramienta de corte para el maquinado.
3. MARCO TEÓRICO
3.1 Manufactura
La manufactura (del latín manus, mano, y factura, hechura) describe la
transformación de materias primas en productos terminados para su venta.
También involucra procesos de elaboración de productos semi-manufacturados.
Es conocida también por el término de industria secundaria. Algunas industrias,
como las manufacturas de semiconductores o de acero, por ejemplo, usan el
término de fabricación.
El término puede referirse a una variedad enorme de la actividad humana, de la
artesanía a la alta tecnología, pero es más comúnmente aplicado a la producción
industrial, en la cual las materias primas son transformadas en bienes terminados
a gran escala.
La fabricación se produce bajo todos los tipos de sistemas económicos. En una
economía capitalista, la fabricación se dirige por lo general hacia la fabricación en
serie de productos para la venta a consumidores con una ganancia. En una
economía colectivista, la fabricación está frecuentemente dirigida por una agencia
estatal. En las economías modernas, la fabricación discurre bajo algún grado de
regulación gubernamental.
7
La fabricación moderna incluye todos los procesos intermedios requeridos para la
producción y la integración de los componentes de un producto. El sector industrial
está estrechamente relacionado con la ingeniería y el diseño industrial.
El proceso puede ser manual (origen del término) o con la utilización de máquinas.
Para obtener mayor volumen de producción es aplicada la técnica de la división
del trabajo, donde cada trabajador ejecuta sólo una pequeña porción de la tarea.
Así, se especializa y economiza movimientos, lo que va a repercutir en una mayor
velocidad de producción.
Aunque la producción artesanal ha formado parte de la humanidad desde hace
mucho tiempo (desde la Edad Media), se piensa que la manufactura moderna
surge alrededor de 1780 con la Revolución Industrial británica, expandiéndose a
partir de entonces a toda la Europa Continental, luego a América del Norte y
finalmente al resto del mundo.
La manufactura se ha convertido en una porción inmensa de la economía del
mundo moderno. Según algunos economistas, la fabricación es un sector que
produce riqueza en una economía, mientras que el sector servicios tiende a ser el
consumo de la riqueza.http://es.wikipedia.org/wiki/Manufactura - cite_note-0
3.2 Fundición
A continuación se presentan las características principales del proceso de
fundición, que es un proceso de solidificación, como muestra la Fig. 1, y se divide
en fundición en moldes desechables y fundición en modelos permanentes.
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Fig. 1. Clasificación de la fundición de metales.
Se denomina fundición al proceso de fabricación de piezas, comúnmente
metálicas pero también de plástico, consistente en fundir un material e introducirlo
en una cavidad, llamada molde, donde se solidifica.
El proceso tradicional es la fundición en arena, por ser ésta un material refractario
muy abundante en la naturaleza y que, mezclada con arcilla, adquiere cohesión y
moldeabilidad sin perder la permeabilidad que posibilita evacuar los gases del
molde al tiempo que se vierte el metal fundido.
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Figura 2. Proceso de vertido del metal fundido
Al realizar un proceso de fundición, se deben tener en cuenta diversos factores y
variables. Uno de los elementos de mayor importancia son los moldes. Estos,
contienen las características geométricas de la pieza fundida. Como se observa en
la Fig. 2.
(a) Molde abierto (b) Molde cerrado
Fig. 3. Tipos de moldes para el proceso de fundición. a) Molde abierto b) Molde Cerrado
Uno de los moldes más utilizados en la industria, son los moldes para fundación
en arena, cuyos elementos principales se describen a continuación:
Marco superior: Mitad superior del molde
Marco inferior: Mitad inferior del molde
Caja de moldeo: Se divide en la caja de moldeo para el marco superior y en
la caja de moldeo para el marco inferior
Núcleo: Define la forma interior de las piezas (cavidades). Se coloca dentro
de la cavidad del molde.
Sistema de paso: Canales por donde fluye el metal derretido hacia la
cavidad del molde.
Bebedero de vertido: Vaciadero por el que ingresa el metal para conducirse
a la cavidad principal.
Mazarota: Fuente de metal líquido para compensar la contracción del metal
durante la solidificación.
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En el marco de este proyecto, se tratarán sólo las fundiciones con molde
desechable, por ser el utilizado para realizar la pieza propuesta.
Fig. 4. Clasificación de la fundición de metales en moldes desechables.
Las principales características de un molde de arena son:
Resistencia: capacidad de mantener sus características geométricas
Permeabilidad: capacidad de permitir el paso de aire por los vacíos de
arena.
Estabilidad Térmica: capacidad de resistir el agrietamiento y deformación
cuando sea puesto en contacto con el metal fundido.
Colapsabilidad: Capacidad de limpiar con facilidad y quitar la arena del
fundido.
Para los procesos de fundición en arena, como en otros procesos de fundición, se
utiliza un “patrón” que consiste en un modelo en tamaño real de la pieza, con un
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margen de sobredimensionamiento, para tener en cuenta las tolerancias por
contracciones y maquinado en el fundido final. En la Fig. 4 se muestran los cuatro
estilos de modelos que existen en la fundición en arena.
Fig. 5. Estilos de modelos para la fundición en arena.
En el modelo sólido, el tamaño está ajustado para la contracción y el maquinado.
Este modelo posee la misma forma que el fundido. Están limitados para bajas
cantidades de producción.
Los modelos deslizantes constan de dos piezas, las cuales dividen la parte en un
plano coincidente con la línea divisoria del molde. Este tipo de moldes es utilizado
para piezas complejas con cantidades de producción no muy altas.
Los modelos de placas ajustadas constan también de dos piezas que están
ajustadas a los lados opuestos de una placa de madera o metal. La placa contiene
agujeros permitiendo que los marcos superior e inferior se alineen.
En los modelos de capucha y base, se encuentra una situación similar a los de
placas ajustadas, con la diferencia que las mitades no se ajustan a la misma
placa, sino que se fabrican independientemente.
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Otro elemento importante del proceso de fundición es el horno. Existen hornos de
combustión directo, cubilotes, crisoles, de acero eléctrico y de aleación. Los más
utilizados son:
Horno de combustión directo: La carga de metal se calienta en un pequeño
hogar abierto con quemadores de combustible que se ubican a un lado.
Pueden alimentarse de gas natural. Los productos de la combustión se
expulsan a través de un cañón.
Cubilotes: Son de forma cilíndrica vertical. Constan de un canal de paso
cerca a su base. Sus mayores usos son para hierros colados.
Crisoles: El metal no hace contacto directo con la mezcla de combustible.
Pueden ser móviles, estacionarios o de volteo.
Fig. 6. Defectos en el proceso de fundición.
Como se puede observar en la Fig. 6 se relacionan los distintos defectos que se
pueden presentar en el proceso de fundición.
Los vacíos se producen antes de llenar por completo la cavidad del molde, por
mala fluidez del metal derretido, bajas temperaturas de vertido, bajas velocidades
de vertido y bajas secciones transversales de la cavidad del molde.
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Los cierres fríos se producen cuando fluyen juntas dos porciones del metal y no se
produce fusión entre ellas porque se solidifican prematuramente, por razones
similares a las de los vacíos.
Los gránulos fríos ocurren por salpicaduras durante el vertido, formando glóbulos
sólidos del metal atrapados en el fundido.
La cavidad de fuga es una depresión en la superficie o un vacío interno en el
fundido. Se forman por fugas en la solidificación restringiendo la cantidad de metal
derretido disponible en la última región que se solidifica.
La microporosidad es una red de vacíos pequeños distribuidos a lo largo del
fundido. Se forman por falta de solidificación localizada del metal derretido final en
la estructura derretida.
El desgarre caliente, se forma porque el fundido se ve impedido de contraerse por
el molde y este no lo propicia durante las etapas finales de la solidificación, o en
las primeras del enfriamiento.
Otro tipo de defectos, son relacionados con los moldes de arena. Estos son
descritos en la Fig. 7.
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Fig. 7. Defectos relacionados con los moldes de arena.
La sopladura es una cavidad de gas en forma de globo que se forma por la
libertad de gases del molde durante el vertido.
Los agujeros de pasador son muchas cavidades pequeñas formadas ligeramente
bajo la superficie por las mismas razones por las que se forman las sopladuras.
El lavado de arena se ocasiona por la erosión del molde de arena durante el
vertido y consiste en una irregularidad en la superficie del fundido.
Las costras son áreas rugosas en la superficie del fundido.
Las penetraciones son defectos de la superficie por alta fluidez del metal líquido.
El desplazamiento del molde se forma por el movimiento lateral de la capucha con
respecto a la base escalonando el producto fundido en la línea de separación.
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El desplazamiento del núcleo consiste en un desplazamiento vertical del núcleo y
se genera por flotación del metal fundido, al igual que el desplazamiento del
molde.
El agrietamiento del núcleo se presenta cuando la resistencia del molde es
insuficiente.
Etapas del proceso
1. Diseño del modelo
El modelo es la pieza que se pretende reproducir, pero con algunas
modificaciones derivadas de la naturaleza del proceso de fundición:
Debe ser ligeramente más grande que la pieza final, ya que se debe tener
en cuenta la contracción de la misma una vez se haya enfriado a
temperatura ambiente. El porcentaje de reducción depende del material
empleado para la fundición.
A esta dimensión se de debe dar una sobremedida en los casos en el que se dé
un proceso adicional de maquinado o acabado por arranque de viruta.
Las superficies del modelo deberán respetar unos ángulos mínimos con la
dirección de desmoldeo (la dirección en la que se extraerá el modelo), con
objeto de no dañar el molde de arena durante su extracción. Este ángulo se
denomina ángulo de salida .Se recomiendan ángulos entre 0.5º y 2º.
Incluir todos los canales de alimentación y mazarotas necesarios para el
llenado del molde con el metal fundido.
Si es necesario incluirá portadas, que son prolongaciones que sirven para
la colocación del macho.
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2. Fabricación del modelo
En lo que atañe a los materiales empleados para la construcción del modelo, se
puede emplear desde madera o plásticos como el uretano hasta metales como el
aluminio o el hierro fundido.
Usualmente se fabrican dos semimodelos correspondientes a sendas partes del
molde que es necesario fabricar.
Compactación de la arena alrededor del modelo: Para ello primeramente se
coloca cada semimodelo en una tabla, dando lugar a las llamadas tablas
modelo, que garantizan que posteriormente ambas partes del molde
encajarán perfectamente.
Actualmente se realiza el llamado moldeo mecánico, consistente en la
compactación de la arena por medios automáticos, generalmente mediante
pistones (uno o varios) hidráulicos o neumáticos.
Colocación del macho: Si la pieza que se quiere fabricar es hueca, será
necesario disponer machos que eviten que el metal fundido rellene dichas
oquedades. Los machos se elaboran con arenas especiales debido a que
deben ser más resistentes que el molde, ya que es necesario manipularlos
para su colocación en el molde. Una vez colocado, se juntan ambas caras
del molde y se sujetan.
Colada: Vertido del material fundido.
Enfriamiento y solidificación: Esta etapa es crítica de todo el proceso, ya
que un enfriamiento excesivamente rápido puede provocar tensiones
mecánicas en la pieza, e incluso la aparición de grietas, mientras que si es
demasiado lento disminuye la productividad.
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Desmolde: Rotura del molde y extracción de la pieza. En el desmoldeo
también debe retirarse la arena del macho. Toda esta arena se recicla para
la construcción de nuevos moldes.
Desbarbado: Consiste en la eliminación de los conductos de alimentación,
mazarota y rebarbas procedentes de la junta de ambas caras del molde.
Acabado y limpieza de los restos de arena adheridos: Posteriormente la
pieza puede requerir mecanizado, tratamiento térmico, etc.
3. Procesos de remoción de material
Estos procesos se utilizan para conformar partes de materiales como metales,
plásticos, cerámica y madera. El maquinado es un proceso que exige tiempo y
desperdicia material. Sin embargo, es muy preciso y puede producir una tersura
de superficie difícil de lograr con otros procesos de formación. El maquinado
tradicional se lleva a cabo con el uso de una herramienta de corte, que remueve el
material de la pieza de trabajo en forma de virutas, con lo cual se le da la
configuración deseada
Los procesos para remoción de material se clasifican como tradicionales o con
formación de virutas y no tradicionales o sin virutas.
En todos los procesos tradicionales para remoción de material, los tres elementos
básicos son la pieza de trabajo, la herramienta de corte, y la máquina herramienta.
Las funciones básicas de la máquina herramienta son: 1) proveer los movimientos
relativos entre la herramienta de corte y la pieza de trabajo en forma de
velocidades y avances; 2) mantener las posiciones relativas de la herramienta de
corte y de la pieza de trabajo, a fin de que la remoción de material resultante
produzca la forma requerida. Al variar las posiciones y movimientos entre la pieza
de trabajo y la herramienta de corte, se puede efectuar mas una operación en la
máquina herramienta.
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Las herramientas de corte son, ya sea, de un solo filo o de filos múltiples.
Con los avenes de la tecnología, se han desarrollado materiales más fuertes y
más duros. El procesamiento eficiente de esos materiales no era posible con los
procesos tradicionales para remoción de material. Por lo tanto, se han creado
varios procesos nuevos y especializados. Al contrario de los procesos
tradicionales en donde la remoción del material necesita una herramienta de corte,
los procesos no tradicionales se basan en los fenómenos ultrasónicos, químicos
electroquímicos, de electro descarga y haces de electrones, láser y iones. En
estos procesos, la remoción de material no esta influida por las propiedades del
material; se puede maquinar material de cualquier dureza. Ahora bien, algunos de
estos procesos se encuentran en la etapa experimental y no se presentan para
elevados volúmenes de producción. En la mayoría de estos procesos, se maquina
una parte cada vez. Los procesos no tradicionales son más complejos y se
requiere considerable pericia y conocimientos para operarlos en forma eficiente.
El fresado consiste principalmente en el corte del material que se mecaniza con
una herramienta rotativa de varios filos, que se llaman dientes, labios o plaquitas
de metal duro, que ejecuta movimientos de avance programados de la mesa de
trabajo en casi cualquier dirección de los tres ejes posibles en los que se puede
desplazar la mesa donde va fijada la pieza que se mecaniza.Con el uso creciente
de las fresadoras de control numérico están aumentando las operaciones de
fresado que se pueden realizar con este tipo de máquinas, siendo así que el
fresado se ha convertido en un método polivalente de mecanizado. El desarrollo
de las herramientas ha contribuido también a crear nuevas posibilidades de
fresado además de incrementar de forma considerable la productividad, la calidad
y exactitud de las operaciones realizadas.
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Figura 8. Fresadora
4. CNC
Se considera de Control Numérico por Computador, también llamado CNC (en
inglés Computer Numerical Control) (también Control Numérico Continuo
Continuous Numerical Control) a todo dispositivo capaz de dirigir el
posicionamiento de un órgano mecánico móvil mediante órdenes elaboradas de
forma totalmente automática a partir de informaciones numéricas en tiempo real.
Para maquinar una pieza se usa un sistema de coordenadas que especificarán el
movimiento de la herramienta de corte.
Entre las operaciones de maquinado que se pueden realizar en una máquina CNC
se encuentran las de torneado y de fresado. Sobre la base de esta combinación es
posible generar la mayoría (si no son todas) las piezas de industria.
Este es, sin duda, uno de los sistemas que ha revolucionado la fabricación de todo
tipo de objetos, tanto en la industria metalúrgica como en muchos otros ámbitos
productivos.
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Figura 9. Maquina CNC
4. CREACION DE PINNO: PRODUCTOS INNOVADORES
Para la realización de este proyecto decidimos crear una empresa, la cual será la
encargada de la fabricación piezas en fundición de aluminio. El nombre de nuestra
empresa es PINNO: Productos innovadores.
4.1 Misión
Desarrollar, producir y comercializar piezas cuyos estándares de calidad
satisfagan las necesidades del mercado. Además, nuestros procesos se
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caracterizan por la preservación del medio ambiente a través de un buen uso
de los recursos naturales.
4.2 Visión
En el año 2010, PINNO. será altamente reconocida en los mercados como
una empresa productiva, innovadora y competitiva globalmente, capaz de
satisfacer las expectativas de nuestros clientes y con procesos que cuenten
con una tecnología de punta.
5. PROCEDIMIENTOS
5.1 Equipos y Materiales
1) Solid Works 2007, WSLM, Cosmo works
2) Madera (para realizar el modelo)
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3) Arena verde para fundición
4) Cajas de moldeo
5) Aluminio 1100 -0
6) Horno de resistencia eléctrica
7) Fresadora (CNC)
4.2 Procedimiento
A continuación se presenta la pieza que se debe fabricar con los requerimientos
dimensionales especificados por nuestro cliente:
.
Fig. 10. Plano soporte de Aluminio
En el proceso fundición se tuvieron en cuenta una serie de pasos los cuales dieron
lugar a la pieza fundida fabricada.
Especificaciones de la pieza
El material requerido de la pieza debe ser Aluminio, el cual es ideal para
esta producción, ya que es de fácil maquinado y tiene un bajo costo.
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El tipo de fundición que se utilizará, es fundición en molde de arena, pues
en esta se puede colocar casi cualquier metal, no limita el tamaño, forma o
peso y el costo es bajo.
Análisis de la pieza
Las especificaciones dimensionales de la pieza fueron especificadas
anteriormente en la figura 7, sin embargo es conveniente utilizar un software como
Solid Works para obtener una mejor visualización con las cotas requeridas.
Sobredimensiones
El tipo de fundición a ser realizar requiere que se realicen cálculos para
sobredimensionar el modelo con el fin considerar las contracciones de la pieza, al
momento de la solidificación del material. Para esto en necesario tener en cuenta
el material y las dimensiones finales deseadas. Posteriormente en el informe se
presentarán estos cálculos.
Diseño de la mazarota
Luego de realizar los cálculos de las sobredimensiones, se realizará con la ayuda
de una herramienta como Solid Works la ilustración del modelo. Está ilustración
permitirá calcular el volumen y las áreas superficiales, así como los planos con los
cuales se podrá obtener los tiempos de solidificación, a partir de los cuales se
diseña la mazarota de tal manera que esto sea lo último que se solidifique, y asi
evitar que presente defectos de rechupe y otros. Pero en nuestro caso como la
mazarota era muy pequeña el sistema de alimentación suplía su función.
Diseño del modelo
Para diseñar el modelo es necesario analizar la pieza, sus componentes y las
operaciones que implica realizarla. Esta pieza se realizará por medio de una
operación de fundición y luego será maquinada para obtener la geometría final.
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Figura 11. Modelo del soporte de la pieza
Fabricación del modelo
Planos del modelo sobredimensionado
Luego de realizar los cálculos del sobredimensionamiento, se realiza un plano
ingenieril con las nuevas medidas. Estos planos serán entregados a la persona
encargada de realizar el modelo con las medidas precisas basándose en estos
planos.
Selección del material del modelo
El mejor material del que se puede hacer el modelo es la madera ya que tiene un
bajo costo y es fácil de manipular. Para mejorar la superficie del modelo se utilizo
una película de pintura aplicada uniformemente a lo largo de esta. Para fijar el
modelo en la elaboración del molde utilizamos grafito lo cual evitaba que se
pegara al molde y se hiciera mas fácil sacarlo.
Desarrollo de la fabricación de la pieza
Condiciones de preparación
Las condiciones para fabricar la pieza son extremas por las altas temperaturas
que se trabajan, es necesario garantizar un ambiente seguro para todas las
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personas que están en cercanas, además de unas condiciones optimas para el
trabajo. Se deben de tener en cuenta algunos factores:
a) Creación del molde
Compactación: Se toma una caja de moldeo hecha de dos partes una superior y
otra inferior, dentro de la cual se compactará la arena. La arena utilizada tiene
aglutinantes para compactar. Se coloca el molde y la arena dentro de la caja,
compactando la arena alrededor del molde. Luego se separan las dos tapas y se
extrae el modelo en madera.
Sistema de alimentación: El sistema de alimentación es realizado sobre la caja
superior luego de haber realizado los distintos cálculos que se mostraran
posteriormente en este informe.
Figura 12. Molde de arena de la pieza
b) Vertido
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Producido ya el molde se procedió a verter el aluminio fundido dentro de este;
para obtener el aluminio en estado liquido se utilizó un horno de resistencia
eléctrica, con el cual se llevó el aluminio de un estado sólido a un estado liquido
con una temperatura promedio del horno de 850oC. Con ayuda del ingeniero
Edwin Álvarez Vizcaíno y de los auxiliares del laboratorio de tratamientos térmicos
se realizó el vertido de metal fundido al molde. Esta operación implica altos
riesgos tanto para el operario por las altas temperaturas como para la pieza ya
que si la velocidad es muy alta generará turbulencias dentro de las cavidades del
molde y se erosionaría, y si se realiza muy lento es posible que el Aluminio se
enfrié durante este tiempo y no logre llenar por completo el interior del molde.
Figura 13. a) Aluminio fundido Figura 14. Vertido del Aluminio fundido
c) Enfriamiento y solidificación
La etapa de enfriamiento y solidificación es una de las etapas mas criticas del
proceso ya que un enfriamiento muy rápido incurrirá en tensiones dentro de la
pieza e incluso la aparición de grietas, y si es demasiado lento disminuirá la
productividad.
Figura 15. Solidificacion del aluminio
d) Ruptura del molde
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La ruptura del molde o el desmoldeo implica la rotura de este y la extracción de la
pieza. Es necesario tener cuidado en este procedimiento ya que la pieza aunque
está solida, sigue caliente lo cual es riezgoso para las personas involucradas. La
arena es removida junto con la pieza de la caja de moldeo. En un proceso de
producción esta arena puede ser utilizada en otras fundiciones.
Figura 16. Ruptura del molde
e) Remoción del sistema de alimentación
Luego de que la pieza se ha solidificado y enfriado se procede a eliminar los
conductos de alimentación, los cuales son reutilizados en la producción de otras
piezas, ya que se pueden fundir otra vez.
f) Limpieza
Para facilitar la manipulación, y el proceso de mecanizado de la pieza es
necesario retirar los residuos de arena adheridos a la pieza.
g) Maquinado
Las operaciones de maquinado realizadas a esta pieza son: el taladrado y el
fresado las cuales le darán los acabados finales a la pieza. Estas operaciones son
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realizadas con la ayuda de una herramienta computacional como Cosmo works o
WSL.
6. ANALISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS
6.1. Cálculos
Para obtener una pieza con los requerimientos de marea y volumen estipulados a
continuación es necesario sobredimensionar la pieza de acuerdo a un factor de
compresibilidad volumétrica k=12.5
Volumen = 60811.64 milímetros^3
Área de superficie = 17033.86 milímetros^2
Volumen sobredimensionado=760145,50 milímetros^3
Volumen Fina Pieza=79688.61 milímetros^3
Área Superficial pieza Final=19552.99 milímetros^2
Volumen deseado 60811.64 Factor Sobredimensionamiento volumétrico
12.5
Volumen sobredimensionado
760145.50
Arista Deseada 39.32 Factor Sobredimensionamiento Lineal
1.320956
Arista Sobredimensionada
91.26
Pieza Desada Factor de Sobredimension
Dimensiones Finales
28 1.320956256 36.9867751810 1.320956256 13.2095625682 1.320956256 108.31841338 1.320956256 50.19633774
29
10 1.320956256 13.209562562 1.320956256 2.641912513
En primer lugar se determinan (con ayuda del software SolidWorks), el volumen y
área superficial de la pieza sobredimensionada, que equivalen a 258562.09 mm2 y
36521.46 mm2 respectivamente. Luego se precisa cual es el tiempo de
solidificación más favorable de la mazarota, para proceder con el diseño de la
misma. El grupo ingenieril de la empresa ha determinado por experiencia que para
una optimización del tiempo de producción y un tiempo adecuado de enfriamiento
de la pieza, el tiempo de solidificación de el sistema de alimentacion debe
considerarse como mínimo un 25% adicional al tiempo de la solidificación de la
pieza.
Finalmente para fabricar el molde se cuenta con una cajuela elaborada en
madera de dos tapas, una hembra y una macho. Los planos del molde y de sus
respectivas tapas se muestran en los Error: Reference source not found, Error:
Reference source not found y Error: Reference source not found. Las dimensiones
de la geometría interna del molde es la misma que la del modelo
sobredimensionado.
Mecanizado
La pieza que se obtiene de la fundición tiene intencionalmente unas medidas más
grandes que las requeridas, para poder mecanizar sobre dichas superficies. Para
mecanizar la pieza es necesario generar unos códigos (Anexos) con la ayuda del
software SolidCam, el cual se basa en la pieza generada anteriormente en
SolidWorks. Estos códigos le son provisionados al centro de maquinado, en donde
con la ayuda de expertos se posiciona la pieza y se pone a correr el programa en
base a los códigos CNC. Estos códigos son pequeños programas para cada tipo
de herramienta que sea necesario utilizar en el proceso de mecanizado.
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6.2. Costos de producción
Costos de producción por pieza
Costo de la caja de moldeo
Mano de obra $5000
Arena $3000
Madera $2500
TOTAL $10500
Costo del modelo
Mano de obra $10000
Madera $5000
TOTAL $15000
Costo del Horno
Para derretir la materia prima del horno se necesitan aproximadamente 20 minutos
a 850oC con el cual el costo para empresa de KW/h es de 271.98, para derretir la
pieza se necesitan 0.33 horas y considerando el consumo del horno (horno de
resistencia eléctrica) el costo aproximado son de $4500.
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Costo de materia prima
Teniendo en cuenta que la sección de bebedero fue retirada posteriormente no se
toma como materia prima debido a que el esta sección puede volver a reutilizar, la
masa de total de la pieza fue de 241.5gr teniendo en cuenta q el costo por
kilogramo es $4655/kilogramos, con esto podemos hallar el costo de la pieza.
Costos por maquinado
Tiempo de maquinado 1 hora
Costos por hora de maquinado $80000 (incluye operario, consumo energético,
herramienta de corte, fluido de corte).
Costo total de la pieza
Costo materia prima $1053
Costo maquinado $80000
Costo horno $4500
Costo de caja de moldeo $10500
Costo modelo $15000
TOTAL $97553
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PROCESO ALTENATIVO
Con el fin de determinar un proceso alternativo para la realización de la pieza, se definen las principales características que influyen en el proceso actual, además de aquellas que determinan la pieza, precisadas por los ingenieros a cargo del proceso de fundición, y son:
Grandes cantidades de producción.
Material de trabajo con punto de fusión bajo.
Mínimos tiempos de producción.
Mínima inversión por realización de cada pieza.
Tolerancias bajas
De acuerdo a los parámetros previamente definidos, se observa que el proceso de fundición en arena a pesar de ser muy práctico, (ya que se puede utilizar para fundir piezas de grandes dimensiones y pesos) no es recomendable por:
Ser un proceso de molde desechable.
Requerir de un maquinado posterior a la fundición.
Necesitar de mayores tiempos de fabricación.
Son las dificultades anteriores, las que hacen que los ingenieros a cargo del proceso de diseño y organización de la empresa consideren un replanteamiento del proceso, con el fin de determinar uno más eficiente en cuanto a tiempos de producción y costos por unidad fabricada, sin descartar los equipos que se presentan en la planta actual. Es por esto que en lugar de cambiar en su totalidad el proceso de fundición, se estudia la opción de implantar un proceso de fundición mucho más eficiente tal como lo es uno de inyección en frío, debido a que en un proceso como este:
Son posibles altas velocidades de producción.
Es económica para altas producciones.
Se obtienen piezas con altas tolerancias y buenos acabados superficiales.
El enfriamiento rápido de la pieza permite un tamaño de grano pequeño, y por ende una buena resistencia al fundido.
Es menos riesgoso para los operarios
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El proceso de fundición por inyección (en frío, debido a que las temperaturas de punto de fusión del aluminio son muy altas para una inyección en caliente), consiste principalmente en la inyección de la materia prima fundida en una matriz, cuya forma es la de la pieza a fabricar, como se observa en el Error: Reference source not found, Error: Referencesource not found y Error: Reference source not found. Teniendo en cuenta que las dos partes de la matriz son aseguradas con el fin de soportar las altas presiones, y diseñadas de tal forma, que permitan la extracción de la pieza sin la necesidad de dañar el molde.
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CONCLUSIONES
Este trabajo permitió aplicar los conocimientos adquiridos sobre procesos de
fabricación, el objetivo fue la elaboración de soporte de aluminio y para ello
aplicamos un proceso de fundición y otro de maquinado. Fue necesario diseñar el
molde, el modelo, la mazarota y calcular las contracciones lineales, la velocidad de
vertido, el caudal, el tiempo de vertido, entre otros. Además, el proyecto le
permitió al grupo el desarrollo de habilidades en la aplicación e implementación de
las técnicas de manufactura, por lo que podemos concluir que fue una experiencia
enriquecedora con la que comprobamos la teoría en la práctica. Algunos aspectos
importantes a destacar que ocurrieron durante el proceso son:
El aluminio posee propiedades atractivas para los fundidos, por ejemplo,
poco peso, un amplio rango de resistencia, facilidad de maquinado y es
económico, es por eso que se eligió este como material base para la pieza.
El proceso de fundición a pesar de ser muy económico con respecto a otros
presenta ciertas desventajas, para el caso particular de este proyecto, por
tratarse de un molde de arena, ocurren limitaciones como porosidad,
errores en la exactitud dimensional y el acabado en la superficie un poco
defectuoso por lo que se hace necesario una operación adicional.
Los defectos en la superficie del fundido como lavado de arena y costras
son producto de la erosión del molde de arena e incrustaciones de arena en
el metal, sin embargo los defectos descubiertos no son demasiado serios,
pues se corrigen en gran parte por medio de pulido.
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8. BIBLIOGRAFÍA
ASKELAND, Ronald R. Ciencia e Ingeniería de los Materiales, tercera
edición.
GROOVER, Mikell. Fundamentos de Manufactura Moderna. Tercera
Edición. Mc Graw Hill.
SMITH, William F. Fundamentos de la Ciencia e Ingeniera de los
Materiales, segunda edición, 1996.
Base de datos IEEE.
KALPAKJIAN, Serope; SCHMID, Steven R. Manufactura: Ingeniería y Tecnología. Ed. 2002. Edit. Pearson Prentice Hall.
Diapositivas Ing. Edwin Álvarez Vizcaíno.
36
7. ANEXOS
Códigos de maquinado
Desbaste cara1
O5000 (DESVASTECARA1.TAP)
( MCV-OP ) (26-NOV-2008)
(SUBROUTINES: O1 .. O0)
G90 G17
G80 G49 G40
G54
G91 G28 Z0
G90
M01
N1 M6 T2
(TOOL -2- MILL DIA 12.5 R0. MM )
G90 G00 G40 G54
G43 H2 D32 G0 X42.71 Y60.996 Z50. S5000 M3
M8
(----------------------)
(P-PROFILE5-T2 - POCKET)
(----------------------)
X42.71 Y60.996 Z10.
Z2.
G1 Z-3. F330
G3 X42.71 Y60.996 I-0.625 J0. F1000
G1 X47.085
G3 X47.085 Y60.996 I-5. J0.
G1 X51.46
G3 X51.46 Y60.996 I-9.375 J0.
37
G1 X55.835
G3 X55.835 Y60.996 I-13.75 J0.
G0 Z10.
X42.71
Z-1.
G1 Z-6. F330
G3 X42.71 Y60.996 I-0.625 J0. F1000
G1 X47.085
G3 X47.085 Y60.996 I-5. J0.
G1 X51.46
G3 X51.46 Y60.996 I-9.375 J0.
G1 X55.835
G3 X55.835 Y60.996 I-13.75 J0.
G0 Z10.
M30
Orificio cara1
O5000 (ORIFIOCARA1.TAP)
( MCV-OP ) (26-NOV-2008)
(SUBROUTINES: O1 .. O0)
G90 G17
G80 G49 G40
G54
G91 G28 Z0
G90
M01
N1 M6 T2
(TOOL -2- MILL DIA 12.5 R0. MM )
G90 G00 G40 G54
38
G43 H2 D32 G0 X37.835 Y60.996 Z50. S5000 M3
M8
(-----------------------)
(F-PROFILE1-T2 - PROFILE)
(-----------------------)
X37.835 Y60.996 Z10.
Z2.
G1 Z-6.25 F330
G2 X37.835 Y60.996 I4.25 J0. F1000
G1 Z-12.5 F330
G2 X37.835 Y60.996 I4.25 J0. F1000
G1 Z-18.75 F330
G2 X37.835 Y60.996 I4.25 J0. F1000
G1 Z-20. F330
G2 X37.835 Y60.996 I4.25 J0. F1000
G0 Z10.
M30
Desbaste cara2
O5000 (DESAVASTECARA2.TAP)
( MCV-OP ) (26-NOV-2008)
(SUBROUTINES: O1 .. O0)
G90 G17
G80 G49 G40
G54
G91 G28 Z0
G90
M01
N1 M6 T2
(TOOL -2- MILL DIA 12.5 R0. MM )
39
G90 G00 G40 G54
G43 H2 D32 G0 X41.5 Y23.5 Z50. S5000 M3
M8
(----------------------)
(P-PROFILE4-T2 - POCKET)
(----------------------)
X41.5 Y23.5 Z10.
Z2.
G1 Z-2. F330
X15. F1000
Y15.
X68.
Y23.5
X41.5
Y27.875
X10.625
Y12.
G3 X12. Y10.625 R1.375
G1 X71.
G3 X72.375 Y12. R1.375
G1 Y27.875
X41.5
Y32.25
X6.25
Y12.
G3 X12. Y6.25 R5.75
G1 X71.
G3 X76.75 Y12. R5.75
G1 Y32.25
X41.5
G0 Z10.
40
M30
Orificios cara2
O5000 (TALADRADOCARA2.TAP)
( MCV-OP ) (26-NOV-2008)
(SUBROUTINES: O1 .. O0)
G90 G17
G80 G49 G40
G54
G91 G28 Z0
G90
M01
N1 M6 T1
( TOOL -1- DRILL DIA 11.0 MM )
G90 G00 G40 G54
G43 H1 D31 G0 X12. Y12. Z50. S5000 M3
M8
(-------------------)
(D-DRILL1-T1 - DRILL)
(-------------------)
X12. Y12. Z10.
G98 G83 Z-13. R2. Q0. F330
X71.
G80
M30
41
42
PLANOS:
Pieza Requierida:
43
Pieza obtenida:
44
45
