13. problemas de diseño que involucra uniones

7/24/2019 13. Problemas de Diseo Que Involucra Uniones

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PROBLEMAS DE DISEO QUE INVOLUCRA UNIONES

En la mayora de las piezas hay uniones en la interseccin entre los miembros

componentes. Se acostumbra a incorporar curvaturas a estas uniones, para eliminar

agudos ngulos interiores y adicionales problemas de concentracin de tensiones. El

diseador debe ser conciente de los problemas en la produccin de piezas introducidospor las uniones. El diseo debe esforzarse por un mximo de piezas sanas manteniendo

al mismo tiempo la compatibilidad con otros requisitos de fundicin.

Para fines prcticos, y descontado el efecto de enfriamiento inicial del molde, la

velocidad a la cual el metal fundido solidifica es la misma, para una seccin delgada (~

1 pulg. o 25 mm) como para secciones gruesas (4 pulg. o 100mm). Porque en general, el

metal en la colada solidifica desde la superficie del molde hacia el centro de la seccin,

secciones delgadas solidificaran antes que secciones gruesas. Por lo tanto, donde

secciones delgadas estn inmediatamente adyacentes a secciones gruesas, y donde la

nica fuente de alimentacin de metal para la seccin gruesa es a travs de la seccin

delgada, y la seccin delgada puede solidificar primero y cortar la fuente dealimentacin de metal de la seccin gruesa. Sin fuente de alimentacin de metal para

remplazar la perdida de volumen por la contraccin de metal, tal seccin gruesa llegara

a estar porosa.

Adems, con el inicio de la solidificacin, la seccin delgada comienza a contraer

mientras la seccin gruesa sigue solidificando. Esto puede causar tensiones que se

desarrollan en la pieza, dando como resultado grietas en la seccin ms caliente (la ms

dbil).

Diferentes secciones de la pieza pueden ser convenientemente comparadas al inscribir

crculos en ellas, como muestra la figura 1. La razn de las reas de los crculos

inscritos es una indicacin de los tiempos relativos de solidificacin. Las grandes

secciones terminan de solidificar proporcionalmente ms tarde que las secciones

delgadas.

Figura 1.Los crculos inscritos facilita la comparacin de masa de metal en unionescoladas


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La influencia de las curvaturas en el aumento de la masa de la unin puede tambin ser

observada en la figura 1. Como se muestra, un circulo de 7/8 pulg. (22 mm) puede ser

inscrito en la unintipoL de dos lados de pulg. (19 mm) sin curvatura. Bajo la

misma condicin excepto que se tiene pulg. de curvatura (13 mm), un circulo de 1

1/16 pulg. puede ser inscrito. Esto representa un 47% de aumento de rea, volumen ymasa de metal.

La capacidad de los moldes de arena o cermica de absorber el calor debe ser

considerada cuando las uniones se estn diseando. En general, el calor desde el metal

fundido se transfiere al molde en una direccin perpendicular a la interfase, o radial si la

interfase es curvada. La figura 2 muestra esquemticamente la direccin de la

transferencia de calor en dos diferentes tipos de uniones L. En el exterior de la

superficie de la unin mostrada en la figura 2 (a) hay ms material del molde disponible

para absorber calor desde el metal fundido que se encuentra junto a disposicin en las

partes rectas de la pieza que aquellas que estn bien lejos de la esquina. Por

consiguiente, el metal en esta parte de la unin se enfriara a una velocidad algo msrpido que el metal en las secciones rectas distantes de la pieza. Sin embargo, el metal

en el interior de la esquina de la unin se enfriara mucho ms lento que el metal en la

parte exterior de la esquina o en las reas rectas, porque hay mucho menos material de

molde que absorbe el calor del metal fundido. Como resultado, el metal en la unin

cerca de la esquina interior ser lo ltimo que se enfri y se cortar la alimentacin de

metal si la fuente es a travs de la seccin recta de la pieza. Dar como resultado un

defecto de contraccin, como se muestra.

Figura 2. Representacin esquemtica de los efectos de la forma de unin sobre latransferencia de calor desde el metal solidificado al molde

Cuando la esquina es prevista con una curvatura y espesor de pared uniforme, la

cavidad de contraccin se reduce en tamao. Cuando el radio de curvatura es igual al

espesor de pared de los miembros de la unin de la pieza, como se muestra en la figura

2(b), usualmente se elimina el rechupe de contraccin, incluso bajo las condiciones ms

adversas, porque el metal se enfra uniformemente.

Tericamente, para piezas de acero el radio de curvatura podra ser igual al espesor de

las ms gruesas uniones de las secciones de pared cuando el espesor de la pared es pulg. o menos. Para espesores de pared de a 1 pulg., radios iguales a del espesor de


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pared ms grueso usualmente es suficiente. Para espesores de pared mayores a 1 pulg,

un radio de curvatura de del espesor de pared ms grueso normalmente es suficiente.

En la prctica, las tensiones que se desarrollan en la colada durante la solidificacin y

enfriamiento son ms importantes en determinar el tamao de la curvatura que se da en

espesor de pared de la pieza en el rea de la curvatura. Donde es logrado una adecuada oincluso parcial alimentacin de la unin, un radio de curvatura ms pequeo que los

mencionados anteriormente puede ser admisible si el diseo de la parte no introduce

severas tensiones de solidificacin o enfriamiento. Por ejemplo, el radio de curvatura

requerido en una pieza del tipo viga en I, como en la figura 3 (a), son mayores que los

requeridos en secciones tipo-T, figura 3 (b). En el enfriamiento de las piezas vigas tipo-

I, las tensiones se crean porque la constriccin de la seccin de la red es restringida por

el material del molde entre las bases de la seccin de la viga tipo I. As, es requerida

una curvatura relativamente grande en la unin de la viga I, para prevenir reas de

fisuramiento en caliente. En las secciones tipo T, debido a que la pieza esta libre de

contraccin, no hay tensiones de enfriamiento que se establecen por el material del

molde; por lo tanto, son practicas menores curvaturas.

Figura 3. Restricciones del molde a una contraccin normal crea reas de concentracinde esfuerzos en la pieza (a). Diseo que permite la contraccin sin obstculo (b) son

relativamente libre de tensiones residuales.

Cuando son requeridas curvaturas en el rea donde la unin puede servir como flujo y

va de alimentacin para metal fundido, es ventajoso dar conicidad a la curvatura de

modo que son ms grande en la zona donde se ubicara el montante y ms pequeo en el

punto ms lejano del montante. Esta conicidad ayuda a crear un modelo de

solidificacin beneficioso del metal fundido. La solidificacin comenzara en la zona

ms alejada del montante y proceder uniformemente hacia el montante. Esta unin,siendo ms gruesa que la seccin adyacente, se solidifica despus que esta seccin

adyacente y as sirve como fuente para alimentar metal. Debido a la conicidad de la

curvatura en la unin, la solidificacin progresara hacia el montante; esto nos asegura

una adecuada alimentacin en la unin con el montante. Este principio, el cual se ilustra

en la figura 4, frecuentemente permite una reduccin en el peso de la pieza.


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Figura 4.La conicidad de curvatura desde el montante a los extremos de la piezafomenta la sanidad (de pieza) y frecuentemente permite la reduccin del peso de la

pieza.

El diseo para prevenir cavidades de contraccin uno de los problemas ms difciles es

conocer cuando y donde el montante puede ser usado en la colada. La colocacin delmontante es una cuestin de criterio basado en la experiencia del ingeniero fundidor.

Tambin, otras consideraciones, tales como ubicacin de punto-herramientas, pueden

impedir que un montante sea colocado en la posicin ms ventajosa. As, la pieza se

puede beneficiar si se disea con la suposicin que ninguna de las uniones puede ser

alimentada directamente. Como un ejemplo, considerar la tpica seccin de pieza

mostrada en la figura 2 (a): Si un montante puede ser ubicado directamente en contacto

con la unin de manera que pueda ser ampliada la masa, no ocurrir cavidades de

contraccin. Sin embargo, si la nica fuente de alimentacin de metal es a travs de uno

de los brazos, pueden ocurrir defectos de contraccin, porque los brazos pueden

solidificar primero y cortar la alimentacin a la unin gruesa. Por lo tanto, cuando sea

posible, es preferible una unin similar a la de la figura 2 (b).

Elementos de unin

Una comprensin comn del problema de diseo de las uniones y curvaturas han

ayudado a los diseadores y fundidores a evaluar los efectos concretos de las variables

de diseo para metal sano en diferentes tipos de intersecciones. La influencia de uniones

determinadas y configuracin de esquinas sobre el tamao y nmero de defectos es

descrito brevemente aqu desde uno de los primeros estudios sistemticos por Briggs et.

al. (AFS Transactions, vol. 46, 1939, p 605). Los primeros trabajos siguen siendo

validos e instructivos.

Uniones para piezas en aceros fueron consideradas para los cinco tipos de unin,representadas por las letras L, T, V, X, e Y. Cualquier otra configuracin en esquinas

puede ser considerada modificacin de una o ms de estas cinco. Diseos en forma de

estas letras, y su influencia sobre la contraccin, son estudiadas en detalle al producir

piezas reales, resumidas aqu en las figuras 5 a 9.


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Figura 5. Comparacin de defectos obtenidos en unionesL de piezas producidas bajocondiciones controladas de tal manera de fomentar los defectos. Tamao de seccin del

test: 3x 3 pulg.

Salvo que se indique, todas las secciones de las piezas fueron 3 por 3 pulg. (75 x 75

mm). Los brazos fueron alrededor de 24 pulg. (61 cm) de largo, con el montante

ubicado en el extremo final. Como montantes fueron utilizados bebederos para verter el

metal. Acero al carbono de horno elctrico fue vertido en moldes de arena seca de

cuchara tipo tetera. Todas las piezas coladas son horizontales. Las secciones gruesas en

las uniones pueden ser alimentadas solo a travs de brazos delgados.

Secciones de tres pulg. (75 mm) fueron elegidos porque este eran suficientemente

largos para exhibir pronunciados defectos y fueron menos sensibles a variaciones en el

molde y temperatura del metal que secciones delgadas. Las uniones fueron modificadas

por uso de diferentes tamaos de radio en las esquinas, o por variacin el espesor de uno

de las patas de cruces como se muestra. Las piezas fueron examinadasradiogrficamente.

Las uniones en Lde la figura 5 muestran que los defectos fueron eliminados por uso deuna curvatura de pulg. (13 mm) y reduciendo el espesor de pared en las esquinas. No

son detectables defectos presentes en las uniones L donde el radio de curvatura fue igual

al espesor de pared y una pared uniforme fue mantenida en las esquinas. En este diseo,

sin embargo, se puede encontrar una debilidad de lnea central similar a la que se

encuentra en casos de pared uniforme y largo suficiente producto que se encuentran los

dos frentes de solidificacin.

Las uniones tipo-Tse muestran en la figura 6 e indica que tipo de defectos pueden sereliminados en este tipo de uniones solo por hacer un orificio en el centro de los dos


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miembros. Es dudoso, por supuesto, si esta es una solucin prctica en la produccin de

piezas. Cualquier unin a travs del cual podra un agujero sin alma ser utilizado un

montante para proveer una adecuada alimentacin de metal.

Una depresin en el cruce de los brazos de la unin tipo T substancialmente reduce los

defectos pero no los elimina. Porque el tamao de los defectos aumenta al incrementarsela curvatura (causa un aumento de masa), las curvaturas ms pequeas utilizadas en la

prctica compatible con otras requerimientos de colada, son los recomendados.

Figura 6.Comparacin de defectos en unionesT producidas bajo condicionescontroladas para fomentar los defectos. Tamao de seccin del test: 3 x 3 pulg. a menos

que se indique lo contrario.

Uniones tipo

V(figura 7) formadas con secciones uniformes no estarn libres decavidades de contraccin, primeramente porque un punto caliente fcilmente se

desarrollara en el molde en la unin entre dos secciones. Moldes de arena, un conductor

pobre del calor, no puede conducir el calor lejos de la arena encerrada entre las

secciones de la pieza tan rpido como el calor es transferido del metal fundido a las

secciones del molde. Por consiguiente, esta porcin del molde recibe bastante calor

como para causar que el metal adyacente llegue a ser el ltimo en solidificar. Esta

condicin existe en el interior del cruce de las uniones; sin embargo, debido al agudo

ngulo formado por la unin en V, la condicin es ms pronunciada. Los defectos

disminuyen en el rea en la medida que el radio de la unin en V aumenta de tamao.

Como en las uniones en L, una ligera reduccin de espesor de pared en la unin en Valienta a obtener metal sano.


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Figura 7. Comparacin de defectos obtenidos en unionesV de piezas producidas bajo

condiciones controladas de tal manera de fomentar los defectos. Tamao de seccin detest: 3 x 3 pulg. Interseccin de miembros a 45 grados.

Uniones del tipo X,como muestra la figura 8, no pueden ser diseados en este estudiode manera que todos los defectos fueron eliminados. Al colocar un alma como orificio a

travs de la unin, sin embargo, los defectos fueron en gran medida reducidos en

tamao. Como con las secciones en T, el alma no es una solucin practica. Puede ser

posible adjuntar un montante al rea del alma, y esto sea ms sencillo, que lo que sera

poner un alma.

Figura 8. Comparacin de defectos obtenidos en uniones X producidas bajocondiciones controladas para fomentar los defectos. Tamao de seccin del test: 3x3

pulg. a menos que se indique lo contrario. Lneas centrales de compensacin estn a 8

pulg. de separacin


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Uniones tipo Ycomo muestra en la figura 9, produce defectos a menos que un orificiotriangular sea ubicado un alma en la seccin gruesa de la unin. Aunque un orificio

redondo substancialmente reduce el rea defectuosa, este no elimino completamente el

defecto. Hay que tener en cuenta que el rea de defectos se mantuvo casi constante sin

tener en cuenta la alteracin de diseo de la unin Y sin alma.

En este estudio, todas las uniones habran tenido substancialmente metal sano si los

montantes estn ubicados directamente sobre las uniones. Sin embargo, donde la

alimentacin de la masa de metal fundido en las uniones fuese inadecuada, durante el

enfriamiento y solidificacin ocurrirn defectos de contraccin.

Figura 9.Comparacin de defectos obtenidas en unionesY producidas bajocondiciones controladas para fomentar los defectos. Tamao de seccin del test: 3x3

pulg. Los miembros se intersectan a 60 grados.

La figura 10 muestra defectos encontrados en la unin en la produccin real de piezas.

Esto corrobora los datos de muchas pruebas hechas en piezas en las figuras 5 a 9.


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Figura 10. Defectos en la produccin de piezas que verifica los resultados obtenidos enel test de piezas mostrados en la fig. 5 a 9.

Enfriadores (chill) puede decrecer el rea del defecto en las esquinas. Aunque enmuchas piezas con enfriadores puede ser til en la obtencin el deseado metal sano, el

diseador no debe depender de ellos para producir aceptables piezas fundidas. Los

enfriadores, aumentan (frecuentemente en forma substancial) el costo de produccin de

piezas, y aumentan la variacin dimensional de las reas de contacto con el enfriador.Es preferible obtener el deseado nivel de estado sano de la pieza por diseo.

Uniones en piezas de Aluminio

Aluminio produce defectos en las mismas reas pero de menor magnitud que en aceros,

porque menos calor es transferido al solidificar aluminio que con acero. El material del

molde puede disipar ms fcil el calor desde aluminio, y habra menos probabilidad de

formacin de puntos calientes. Aunque ms libertades se pueden tomar con el diseo de

uniones para piezas de aluminio que para piezas de acero, las uniones deben seguir

siendo adecuadamente alimentadas si queremos evitar cavidades de contraccin y

porosidades.

Como un ejemplo, el problema encontrado en la produccin de piezas coladas en arena

de aleaciones de aluminio, un soporte principal del mecanismo de control de vuelo, se

muestra en la figura 11 se referan a la unin de los nervios con la seccin de la pared

del tubo rectangular (vista C-C), y con la unin tipo L en la seccin del tubo rectangular

(vista A-A y seccin B-B). En el diseo original, fue encontrada en estas uniones una

extensa porosidad de contraccin. Porque el ensayo de rayos X 1-A fue especificado

para estas piezas, los defectos fueron causa de rechazo. Una revisin de proceso no

revelo ninguna manera prctica de suministro de alimentacin de metal a estas reas.

Consecuentemente, una revisin del diseo fue necesaria para reducir la masa en launin de los nervios con la seccin tubular (ver lugares A, B y C en vistas C-C para


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ambos diseo original y revisado), y de alterar la unin L de la seccin tubular (ver vista

A-A y seccin B-B). Esta reduccin en masa en la unin (ubicaciones A, B y C, el

aumento en el radio interior, y el establecimiento de una pared uniforme en la unin L

de la seccin tubular da como resultado piezas sanas.

Si esta pieza fuese producida en acero, sin duda sera requerido, reduccin de la masa demetal en algunas uniones.

Figura 11. Una aleacin de aluminio colada en arena ( un soporte primario para unmecanismo de control de vuelo) que requiere rediseo de numerosas uniones que deben

ser antes mejoradas, para tener una produccin de piezas aceptables.

Uniones tipo T versus uniones tipo Y

Para un material dado, el espesor de seccin y radio de curvatura, las uniones T

presentan menos problemas de solidificacin que las uniones Y. Esto se hace evidente

al comparar el rea de los crculos inscritos en la unin T en la unin Y mostrada en lafigura 12. Con espesores de pared idnticos y el mismo tamao de curvatura en cada

unin, el rea del circulo inscrito en la unin Y es aprox. 35% mayor que el rea del

circulo en la unin T.


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Figura 12.Comparacin de la masa de metal de la unin Y y uninT con todas lasparedes del mismo espesor y radios iguales. Los crculos inscritos en las unionesY (a)

es 35% ms grande que el circulo inscrito en la unin (b).

Si la unin no es fcil de alimentar, es obvio que el mejor diseo podra incorporaruniones T mejor que uniones Y si es posible. En muchas piezas, esto es logrado

fcilmente por un diseo simple mostrado en la figura 13.

Figura 13. Dos mtodos prcticos de revisin de unionesY a uniones-T para reducirla masa de metal en la unin. Con todas las paredes del mismo espesor e igual radio, en

(a) el circulo inscrito en la uninY es aproximadamente 23% mayor que el circuloinscrito en la uninT. En (b) el circulo inscrito en la uninY es aproximadamente

26% mayor que el circulo inscrito en la unin T.

Una pieza de acero inoxidable 17-4 PH se muestra en la figura 14 provee un excelente

ejemplo de las ventajas de uniones T sobre las uniones Y. Producido como fundicin

de precisin, estas partes estructurales de avin requiere estudio tipo clase 1A para

verificar que esta sana. De la pieza producida con el diseo original, 87% son

rechazados por defectos en la unin Y formados en el cuerpo de la pieza y en los

brazos que se extienden desde el cuerpo en un ngulo 45.

No era posible agregar canales para equipar el suministro de alimentacin de metal a

estas uniones problemas, porque la eliminacin de las cuas donde los canales podran

estar en contacto con la pieza podra suponer caras operaciones de mecanizado. Por

consiguiente, la pieza fue rediseada para reducir la relativamente gran masa de metal

formada en la unin tipo Y. Esto fue logrado al revisar los brazos de manera que la

unin T (similar a la unin recomendada en la figura 13a) fuese formada con un

cuerpo tubular. Esta revisin puede ser vista al comparar el original y la revisin

mostrada en la figura 14. Despus del rediseo de la unin ninguna pieza fue rechazada.


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Figura 14. Las unionesY causan porosidad en el acero inoxidable 17-4 PH de coladade precisin. (a) Unin tipo-T original. (b) eliminacin de la causa de defecto.

Uniones de secciones desiguales

Donde las paredes de dos diferentes espesores de una unin, es inconveniente

incorporar un aumento gradual en el espesor de la seccin delgada de manera que sea

igual el espesor con la seccin gruesa en el punto de unin. Los mtodos recomendados

para lograr esta fusin en uniones T y uniones L cuya interseccin de paredes son

desiguales en espesor como muestra la figura 15. En una unin L, si una o ambas

superficies exteriores deben ser maquinadas, el radio exterior debe ser omitido y la

esquina izquierda ser ms aguda. La esquina aguda, sin embargo, es probable quecontenga mayores defectos de contraccin que los que estaran presentes en la esquina

redondeada.


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Figura 15. Diseo recomendado para la mezcla correcta de secciones desiguales parauniones tipo-T (a) y uniones tipo-L (b)

La figura 16 muestra un mtodo recomendado para una fusin de cambio abrupto en el

espesor de una pared para minimizar la concentracin de tensiones. La figura 16 (a)muestra el mtodo recomendado donde el espesor de seccin es menor que 50% del

largo que la seccin delgada; figura 16 (b) muestra el mtodo recomendado donde el

espesor de seccin es ms que un 50% ms largo que la seccin delgada.

Figura 16.Diseo recomendado para el cambio abrupto en el espesor de pared

Un ejemplo de fusin de unin es prevista en la entrada de la pieza vlvula mostrada en

la figura 3 del articulo Problemas de diseo que involucra secciones uniformes. Esta

pieza incorpora todos los detalles de las ventajas de diseo de manera de obtener el

mayor grado de sanidad del metal. Aun cuando la unin de bridas o flanches y el cuerpo

de la vlvula sea adecuadamente alimentada, se fusionan adecuadamente para evitar laposibilidad de concentracin de tensiones.

En la pieza de acero colada en arena mostrada en la figura 17 un diseo astuto elimina

la unin y se puede estar atento al defecto. El diseo original, figura 17 (a); favorece la

porosidad de contraccin en la unin del nervio y las secciones de la placa plana. Las

piezas no son rechazadas porque la porosidad fue sometida a grandes esfuerzos internos

por la velocidad de enfriamiento desigual producto de las secciones gruesas de metal en

cada unin.

Un rediseo que remplaza los nervios opuestos con ondulaciones radiales se muestra en

la figura 17 (b). Estas ondulaciones aumentan bastante la resistencia de la pieza comopara permitir una reduccin del espesor de pared de la masa. Esto produjo que la masa y


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la seccin placa tuviesen una velocidad de enfriamiento cercana a uniforme y

substancialmente se redujera las tensiones internas previamente encontradas. Otra

ventaja un 24% de reduccin en el peso y 22% de reduccin en el costo de produccin

de la pieza.

En el diseo de las ruedas de los aviones, se han logrado simplificaciones similares. Laintrincada, estructura de rueda acanalada de la figura 9 fue remplazada por ruedas de

diseo simple; las ruedas simplificadas han incrementado su vida de servicio bajo carga

de fatiga critica, y fueron de costo ms bajo.

Figura 17. Tensiones residuales elevadas encontradas en el diseo original (a) soneliminadas por rediseo (b) en esta pieza de placa final, en un acero colado en arena.

13. problemas de diseño que involucra uniones

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