instituto politécnico nacional....los volantes de dirección se diseñan ergonómicamente. sin...

Instituto Politécnico Nacional.

Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica.

Unidad Profesional Azcapotzalco.

Fabricación de volante de dirección para automóvil

(Custom Car).

Tesis que para obtener el Titulo de

Ingeniero Mecánico

Presentan:

Antonio Israel Amescua Medina

Domínguez Arias Juan Alberto.

Juárez Lima Víctor Daniel.

Asesores:

Ing. José Luís Anguiano Gamiño.

Ing. José Luís Cornejo Castañeda.

Distrito Federal, México. Mayo de 2008.

Agradecimientos.

"El agradecimiento es la memoria del corazón."

Lao Tse

Primeramente gracias a Dios por la vida y la salud que me ha brindado hasta este día, de

manera que, gracias a eso, el día de hoy puedo culminar el esfuerzo de más de 15 años de

estudio.

Agradezco a mi madre, Marcela Medina, por su apoyo incondicional, comprensión y ayuda

a lo largo de toda mi vida, si ti esto no hubiera sido posible.

A mi bisabuelo Jorge, que en paz descanse y a mi bisabuela Ester, son un ejemplo

intachable y un modelo a seguir. Abuelito te agradezco tus infinitas atenciones no solo

hacia mí, sino hacia toda mi familia. Si ti este logro no hubiera sido posible.

A mis hermanos Abel, Andrés y Alemet, por su buena compañía y por todos los momentos

gratos que hemos pasado.

A mi padre Antonio Amescua, por alentarme a seguir adelante no importando lo difícil que

sean las adversidades.

A mi tío Alfredo por animarme a ser una mejor persona en todos los aspectos de mi vida.

A mi familia en general por su apoyo, gracias por creer en mí, este logro también es suyo.

A mi amigo y hermano Cesar Cruz quien me ha apoyado en todo momento y ha estado

conmigo en las buenas y en las malas.

A mis asesores, el Ing. José Luís Anguiano Gamiño y al Ing. José Luís Cornejo Castañeda,

por sus sugerencias, correcciones y ayuda constante durante el tiempo en el que se realizo

este trabajo.

Antonio Israel Amescua Medina.

Dedicatorias:

A cada uno de los integrantes de mi familia, a mis amigos, compañeros, maestros, asesores

y a cada una de las personas que han afectado mi vida de una manera positiva. Como lo

mencione anteriormente, esto no lo hubiera logrado sin su ayuda, este trabajo es de

ustedes y para ustedes.

Antonio Israel Amescua Medina.

AGRADECIMIENTOS.

Esta tesis esta dedicada a mis padres, a quienes agradezco de todo corazón por su amor, cariño y comprensión. En todo momento los llevo conmigo. Agradezco a mi familia por la compañía y el apoyo que me brindan, se que cuento con ellos siempre. Agradezco a dios por llenar mi vida de dicha y bendiciones. Agradezco haber encontrado el amor, y compartir mi existencia con ella. Agradezco a los amigos por su confianza y lealtad. Agradezco a mi país por que espera lo mejor de mi. Agradezco a mis maestros por su disposición y ayuda brindadas.

Domínguez Arias Juan Alberto

Índice. Capitulo 1. Generalidades de volantes de Dirección………….………….….…………1

1.1 Definición de volante………………………………………..…….………....1

1.2 Objetivo……………………………………………………..…….………….2

1.3 Justificación………………………………………………..……….……...…2

1.4 Ventajas y desventajas…………………………………..………….………...2

1.5 Tipos de volante………………………………………..…………….……….3

Capitulo 2. Fabricación…………………………………………..……………….….…..5

2.1 Material y maquinaria………………………………..……………….………5

2.2 Propiedades del Acero Inoxidable…………………..……………….…….....9

2.3 Aplicaciones del Acero Inoxidable………………..………………….……....9

2.4 Tipos de Acero Inoxidable…………………………………………………...10

2.5 Técnicas para la eliminación de defectos superficiales en el Acero Inox…....15

2.5.1 Naturaleza de la Superficie del Acero Inoxidable………………………….16

2.6 Sugerencias y especificaciones para el correcto tratamiento y maquinado

de Acero Inoxidable……………………………………………………………………..…17

2.7 Consideraciones especiales para planchas, tunos y productos de fundición…17

2.8 Composición Química de los Aceros Inoxidables…………………………...18

2.9 Proceso de Fabricación dentro de volante……………………………………20

2.9.1 Pantografía………………………………………………………………....20

2.9.2 Características técnicas de los pantógrafos en general…………………….22

2.9.3 Pantógrafo CNC……………………………………………………………23

2.10 Proceso de fabricación del aro del volante (alma)………………………….26

2.10.1 Proceso de Rolado………………………………………………………...26

2.11 Soldadura……………………………………………………………………28

2.11.1 Tipos de Soldadura………………………………………………………..29

2.11.2 Gases Para soldadura TIG………………………………………………...30

2.12 Terminado del volante………………………………………………………32

2.12.1 Pulido……………………………………………………………………..33

2.12.2 Pulido de metales…………………………………………………………33

Capitulo 3. Momento torsionante………………………………………….…………….35

3.1 Torsión……………………………………………………………………….35

3.2 Torque………………………………………………………………………..35

3.2 Cálculos de momento torsionante……………………………………………36

Capitulo 4. Alternativas en el proceso de producción………..…………………….…..38

4.1 Fundamento de Fundición…………………………………………………….38

4.2 Tecnología de fundición……………………………………………………....39

4.3 Modelos de fundición………………………………………………………....41

4.3.1 Tolerancias en el modelo de fundición………………………………….….42

4.4 Calentamiento y vaciado……………………………………….……………..42

4.4.1 Calentamiento del metal……………………………………….……………42

4.4.2 Vaciado del metal fundido…………………………………………………43

4.5 Análisis ingenieril del vaciado………………………………………………..44

4.5.1 Ley de la continuidad durante el vaciado………………….………………..45

4.5.2 Tiempo requerido para llenar una cavidad (v)………….…………………..46

4.6 Fluidez…………………………………………………….…………………..47

4.7 Solidificación y enfriamiento…………………………….…………………...48

4.7.1 Solidificación de los metales…………………………….………………….48

4.7.2 Tiempo de solidificación……………………………………………………52

4.8 Contracción…………………………………………………………………..53

4.9 Solidificación direccional……………………………………………….……55

4.10 Procesos de fundición de metales………………………………………...…56

4.10.1 Fundición en arena………………………………………………………...57

4.11 Modelos y corazones……………………………………………...…………58

4.12 Moldes y fabricación de moldes………………………………………...…..60

Conclusión…………...………………………………………………………………….....63

Glosario………………...………………………………………………………………….64

Referencias……………...…………………………………………………………………67

Índice de imágenes. Imagen 1.1 Evolución del volante a través del tiempo…………………………………….1

Imagen 1.2 Diseño de volante para custom car #1 …………….…………………….……..3

Imagen 1.3 Diseño de volante para custom car #2………………………………………….4

Imagen 2.1 Placa acero inoxidable 14´´ x 1/8´´ Espesor……………………………………5

Imagen 2.2 Tubo acero inoxidable calibre 14……………………………………...............5

Imagen 2.3 Capacidades de doblez de una maquina dobladora……………………………5

Imagen 2.4 Diferentes tipos de estructuras que se pueden rolar…………………….……..6

Imagen 2.5 Longitud de arco……………………………………………………………….6

Imagen 2.6 Radio compuesto………………………………………………………………7

Imagen 2.7 Arco de 180 y de 90 grados……………………………………………………7

Imagen 2.8 Arco bueno………………………………………………………………...…..7

Imagen 2.9 Doblado en “S”………………………………………………………………...8

Imagen 2.10 Tangente……………………………………………………………………...9

Imagen 2.11 Vista en corte de una superficie de acero inoxidable……………………….16

Imagen 2.12 Tabla de composición química de los aceros Inoxidables Austeníticos y

Aleaciones de Níquel………………………………………………………………………19

Imagen 2.13 Ejemplo de Pantógrafo………………………………………………………21 Imagen 2.14 Ejemplo de Pantógrafo…………………………………………………...….21

Imagen 2.15 Ejemplo de producto fabricado en pantógrafo………………………………23

Imagen 2.16 Ejemplo de producto fabricado en pantógrafo…………………………...….23

Imagen 2.17 Ejemplo de producto fabricado en pantógrafo……………………………....23 Imagen 2.18 Ejemplo de producto fabricado en pantógrafo……………………………....23 Imagen 2.19 Ejemplo de producto fabricado en pantógrafo………………………………24 Imagen 2.20 Ejemplo de producto fabricado en pantógrafo……………………………...24

Imagen 2.21 Plantilla con dibujo del volante……………………………………………...24

Imagen 2.22 Resultado del corte de la placa con pantógrafo…………………………..….24 Imagen 2.23 Resultado del corte de la placa con pantógrafo………………………….…..25 Imagen 2.24 Resultado del corte de la placa con pantógrafo……………………………...25

Imagen 2.25 Pulido de centro de volante………………………………………………....25

Imagen 2.26 Centro de volante ya acoplado al adaptador………………………………...26

Imagen 2.27 Ejemplo de roladora (en este caso es una roladora de placa)……………….27

Imagen 2.28 Soldadura TIG………………………………………………………………30

Imagen 2.29 Soldadura MIG……………………………………………………………...30

Imagen 2.30 Forma de trabajo de soldadura TIG…………………………………………32

Imagen 2.31 Volante terminado…………………………………………………………..32

Imagen 2.32 Volante terminado…………………………………………………………..33

Imagen 3.1 Volante acoplado a una flecha de dirección (imagen para cálculo)………….36

Imagen 4.1 Dos formas de molde…………………………………………………………40

Imagen 4.2 Tabla de contracción volumétrica de algunos metales……………………….47

Imagen 4.3 Molde espiral para ensayo de la fluidez, ésta se mide por la longitud del canal

espiral lleno antes de la solidificación……………………………………………………..48

Imagen 4.4 Curva de enfriamiento para un metal puro durante la fundición…………….49

Imagen 4.5 Estructura cristalina característica del un metal puro………………………...50

Imagen 4.6 (a) Diagrama de fase para un sistema, de aleación cobre-níquel y (b) curva de

enfriamiento asociada para una composición Ni-Cu 50-50% durante la fundición………..50

Imagen 4.7 Estructura cristalina característica de fundición para una aleación…………...51

Imagen 4.8 Contracción de una fundición cilíndrica durante la solidificación y

enfriamiento………………………………………………………………………………..54

Imagen 4.9 Tabla contracción térmica de metales……………………………………….55

Imagen 4.10 Enfriadores externos para alentar la solidificación…………………………56

Imagen 4.11 Fundición en arena para el cuerpo de un compresor………………………..57

Imagen 4.12 Pasos en la secuencia de producción de la fundición en arena……………..57

Imagen 4.13 Tipos de patrones utilizados en la fundición en arena………………………59

Imagen 4.14 (a) corazón mantenido en su lugar dentro de la cavidad del molde por

sujetadores (b) Diseño posible del sujetador (c) Fundición con cavidad interna (d)

manufactura del corazón.…………………………………………………………………..60

Imagen 4.15 Ejemplo de pasos en la producción de una pieza de fundición……………..62

Resumen.

A lo largo de los dos últimos semestres estuvimos trabajando en nuestro proyecto final,

gracias a las correctas intervenciones de nuestros asesores, es que hemos terminado este

trabajo tan importante para cada uno de los integrantes del equipo.

Creo que es importante mencionar que desde el momento en el que elegimos nuestro

proyecto, imaginamos que nos enfrentaríamos a un par de problemas, pero no fue hasta que

entramos a la etapa de la fabricación cuando realmente nos dimos cuenta de que el llevar

una simple idea o proyecto a la realidad seria toda una odisea.

Desde tener que conseguir la materia prima, que desgraciadamente y por alguna extraña

razón estuvo agotada por un par de semanas, hasta encontrar los lugares adecuados para

que se maquinara nuestro material, y todo esto sin olvidar los costos que la fabricación de

nuestro volante ocasionó a cada uno de nosotros.

Nos dimos cuenta que el hecho de fabricar un simple y sencillo volante es todo un reto y

ahora entendemos que todas las experiencias pasadas, buenas y malas, tomaron parte en

nuestra formación como ingenieros, la cual se ira enriqueciendo en la manera en la que

enfrentemos retos aun mayores, que beneficien al sector industrial, a la nación y por sobre

todas las cosas a la humanidad.

En las siguientes páginas desarrollamos cada uno de los aspectos que investigamos, los

pasos de la fabricación, algunos cálculos necesarios y una alternativa en la fabricación de

volantes para dirección de automóvil, esperando que sea de su agrado.

FABRICACION DE VOLANTE DE DIRECCIÒN.

ESIME AZCAPOTZALCO INGENIERIA MECÁNICA 1

Capitulo 1. Generalidades de volantes de Dirección. 1.1 Definición de volante.

Un volante, es el sistema de control usado en los vehículos modernos, incluyendo todos los automóviles de producción en serie. El volante es la parte del sistema de dirección que es manipulado por el conductor; el resto del sistema responde a los movimientos del volante. Esto puede ser a través de un contacto mecánico directo entre cremallera y piñón o con ayuda de dirección asistida (dirección hidráulica).

Un conductor puede tener sus manos en el volante por horas, este es el motivo por el cual los volantes de dirección se diseñan ergonómicamente. Sin embargo, la preocupación más importante es que el conductor puede transportar con eficacia el esfuerzo de torsión al sistema de manejo; esto es especialmente importante en vehículos con dirección mecánica. Un diseño típico para los volantes de dirección es circular, de acero o magnesio, con el borde plastificado o recubierto de goma y encima y alrededor de él Vinyl, esto para mejorar la comodidad, o simplemente como decoración.

Imagen 1.1 Evolución del volante a través del tiempo.



1.2 Objetivo. Realizar un volante de dirección para automóvil, diseñado y fabricado de la manera más correcta, evitando costos altos de producción, defectos y fallas. Aplicar nuestros conocimientos adquiridos a lo largo de la carrera, para lograr un producto no solo bien realizado, sino estético, económico y ergonómico. 1.3 Justificación. Sabemos que dentro de la industria automotriz da frecuentemente la modificación de automóviles, esto permite la obtención de un mejor rendimiento y una apariencia mucho más estética. Lo que la gente busca al cambiar las autopartes es dar un sello distintivo al automóvil que manejan, es decir, hacerlo único. El mercado de las autopartes ha ido a la alza los últimos años, es un mercado que mueve grandes cantidades de dinero anualmente y ese es uno de los motivos por el cual decidimos tomar como proyecto la fabricación de un volante de dirección para automóvil. Seria difícil controlar el automóvil (que puede pesar entre una y dos toneladas) si el sistema de dirección no fuera tan perfecto como lo es actualmente. Cuando se da una vuelta el conductor aplica una fuerza de mas de 5 Kg. en el volante en la dirección mecánica. La dirección hidráulica reduce este esfuerzo a menos de 2.5 kg.

1.4 Ventajas y desventajas. El problema que nosotros enfrentamos es que debido a que solamente vamos a fabricar un solo volante el precio de este fue un poco elevado, ya que como sabemos al producir a grandes volúmenes lo que sucede es que nuestro precio por unidad baja considerablemente. El costo final de nuestro volante de dirección para automóvil fue de unos 1,100 pesos, dentro de este costo se encuentra la materia prima, y el maquinado (es importante mencionar que al no tener a la mano la maquinaria necesaria para realizar el trabajo, se tuvo que mandar a maquinar en lugares especiales, lo que causo que el costo de nuestro volante fuera alto). Aun con el costo de maquinado alto, nuestro volante tuvo un costo relativamente bajo al hacer una comparación entre nuestro modelo y modelos que encontramos en Internet, los cuales rondaban los 200 USD.



1.5 Tipo de volante. Existen varios tipos de volantes, estos están en función del tipo de conducción a la que conductor va a estar sometido y en donde también se toma en cuenta la característica del automóvil. Debido a que el volante que vamos a fabricar va a ser donado al proyecto Custom Car, proyecto que esta siendo desarrollado por un compañero de clases, decidimos hacer dos diferentes diseños que van mas acorde con el tipo de auto y modificaciones que se le están aplicando.

Imagen 1.2 Diseño 1.



Imagen 1.3 Diseño 2.

Después de platicar con nuestro compañero del proyecto Custom Car decidimos que el volante que quedaría mejor para lo que es el aspecto estético del auto es el Diseño 1, esto tomando en cuenta las modificaciones en los interiores de Ford en el cual se estaba trabajando y al cual seria donado el volante que nosotros fabricaríamos.



Capitulo 2. Fabricación. 2.1 Material y Maquinaria. Una vez elegido el diseño a fabricar consideramos que una manera mas barata y posiblemente mas correcta de hacer nuestro volante es haciendo nuestro aro por medio de una barra de acero inoxidable (304) calibre 14 (tubin, material especial para rolado) la cual será rolada y soldada cuidadosamente (argón). Después de ser soldada se le dará un recubrimiento y un acabado espejo para que la soldadura sea lo menos visible. Nuestra parte central, es decir, el centro y los brazos del volante van a ser cortados de una sola pieza por un pantógrafo de una placa de acero inoxidable de 1/8” de espesor. A su vez el centro-brazos del volante va a ser soldado al aro cuidadosamente con la misma técnica antes utilizada para soldar el aro (argón). Imagen 2.1 Imagen 2.2 Placa acero inoxidable 14´´ x 1/8´´ Espesor. Tubo acero inoxidable calibre 14.

En la tabla inferior nos podemos dar cuenta de las diferentes capacidades de doblez de las maquinas dobladoras.

Imagen 2.3 Capacidades de doblez de una maquina dobladora.



En la siguiente tabla podemos observar los diferentes tipos de estructuras que se pueden rolar.

Imagen 2.4 Diferentes tipos de estructuras que se pueden rolar.

A continuación mencionamos algunos términos industriales para el doblado de acero, estos pueden ser útiles a la hora de necesitar la realización de algún tipo de doblez. Términos de la industria del doblado de acero Arco- Porción del material que está curvada o doblada. Longitud del Arco- Longitud de la porción del material que está curvada o doblada al radio requerido.

Imagen 2.5 Longitud de arco.

Cordón- Un segmento de línea que une dos puntos sobre una curva. En nuestro caso, de un extremo del arco al otro extremo del arco.



RLC- Radio de la línea central de la forma laminada. Doblado compuesto- Véase Radio Compuesto. Radio compuesto- Más de un radio.

Imagen 2.6 Radio compuesto.

Grado- Indica el tamaño de la escalera de caracol. Grados (del arco)- Porción de un círculo, indicado en grados. Por ejemplo:

Imagen 2.7 Arco de 180 y de 90 grados.

Tangente igual- Cuando la porción recta de cada extremo de un arco son iguales. Arco bueno- La porción curvada del material que está doblado al radio requerido.

Imagen 2.8 Arco bueno.

Formado en caliente- Se forma el material caliente alrededor de un dado. Algunas aplicaciones no permiten el uso del calor. El formado por calor permite doblados cerrados que son de otra manera imposible. RI- Radio interior de la forma laminada.



Descansillo- Plataforma intermedia de una escalera o el área en la parte superior o inferior de una escalera. Pierna- Lado de una sección transversal que no está hueco. Doblado por Mandril- Material frío se forma alrededor de un dado con el uso de un mandril. Limitado a doblados de 180 grados. El doblado por Mandril puede doblar secciones huecas muy cerradas. Tangente mínima- Porción recta mínima requerida al extremo de un arco. Ovalización- Distorsión de una tubería o de un tubo redondo de su forma redonda normal a una forma oval. Ocurre en el proceso del laminado. RE- Radio exterior de una forma laminada. Radio del plano- Radio en un escalón espiral que está a nivel del piso. Pendiente- Indica el ángulo de elevación de un escalón espiral. Radio- Distancia del centro de un círculo a cualquier punto sobre su circunferencia. Ondulación- Distorsión causada por el laminado. RPD- "Roll per drawing" - Laminados siguiendo instrucciones gráficas. Laminado- El material frío pasa por máquinas que utilicen tres dados de laminado. El laminado no puede doblar tan cerrado como algunas otras técnicas. Permite doblados de 360 grados. Doblado en S- Un radio compuesto donde uno de los radios está opuesto al otro.

Imagen 2.9 Doblado en “S”.

Escalera de caracol- Una escalera que está curvada o una escalera en espiral. Tangente- Porción recta al extremo de un arco



Imagen 2.10 Tangente. Elevación total (peralte)- Distancia de un piso al otro en un escalón espiral. Radio verdadero- Radio de un escalón espiral donde el escalón sube. Arriba, en el sentido de las manecillas del reloj/Arriba, contrario al sentido de las manecillas del reloj- Dirección de la elevación de un escalón espiral. Tabique o Pared- Lado de una sección transversal hueca. 2.2 Propiedades del Acero inoxidable 304. ¿Por qué elegimos este material? El acero inoxidable es un tipo de acero resistente a la corrosión, dado que el cromo que contiene posee gran afinidad por el oxígeno y reacciona con él formando una capa pasivadora, evitando así la corrosión del hierro. A pesar de ser sumamente delgada ésta película invisible fuertemente adherida al metal, lo protege contra los distintos tipos de corrosión, renovándose inmediatamente cuando es dañada por abrasión, corte, maquinado, etc. Sin embargo, esta capa puede ser afectada por algunos ácidos, dando lugar a que el hierro sea atacado y oxidado por mecanismos intergranulares o picaduras generalizadas. Contiene, por definición, un mínimo de 10,5% de cromo. Algunos tipos de acero inoxidable contienen además otros elementos aleantes; los principales son el níquel y el molibdeno.

Su resistencia a la corrosión es lo que da al acero inoxidable su nombre. Sin embargo, justo después de su descubrimiento se apreció que el material tenía otras muchas valiosas propiedades que lo hacen idóneo para una amplia gama de usos diversos.

2.3 Aplicaciones del Acero Inoxidable.

Las posibles aplicaciones del acero inoxidable son casi ilimitadas, hecho que puede comprobarse con tan solo unos ejemplos:

En el hogar: cubertería y menaje, fregaderos, sartenes y baterías de cocina, hornos y barbacoas, equipamiento de jardín y mobiliario.



En la ciudad: paradas de autobús, cabinas telefónicas y resto de mobiliario urbano, fachadas de edificios, ascensores y escaleras, vagones de metro e infraestructuras de las estaciones.

En la industria: equipamiento para la fabricación de productos alimentarios y farmacéuticos, plantas para el tratamiento de aguas potables y residuales, plantas químicas y petroquímicas, componentes para la automoción y aeronáutica, depósitos de combustible y productos químicos.

Los aceros inoxidables se utilizan principalmente en cuatro tipos de mercados:

Electrodomésticos: grandes electrodomésticos y pequeños aparatos para el hogar.

Automóviles: especialmente tubos de escape.

Construcción: edificios y mobiliario urbano (fachadas y material).

Industria: alimentación, productos químicos y petróleo.

Aplicaciones del acero.

Partes expuestas y no expuestas para artículos de línea blanca.

Aplicaciones en maquinaria y equipo.

Perfiles y tubería.

Tambores y envases.

Insumo para mercado de galvanizadores.

Industria automotriz para partes expuestas y no expuestas.

Uso industrial para piezas con embutido severo.

2.4 Tipos de Acero Inoxidable.

Los aceros inoxidables que contienen solamente cromo se llaman ferríticos, ya que tienen una estructura metalográfica formada básicamente por ferrita. Son magnéticos y se distinguen porque son atraídos por un imán. Con elevados porcentajes de carbono, estos aceros son templables y pueden, por tanto, endurecerse por tratamiento térmico. A estos aceros endurecidos se llaman aceros inoxidables "martensíticos", por tener martensita en su estructura metalográfica.



Los aceros inoxidables que contienen más de un 7% de níquel se llaman austeníticos, ya que tienen una estructura metalográfica en estado recocido, formada básicamente por austenita. No son magnéticos en estado recocido y, por tanto, no son atraídos por un imán.

Los aceros inoxidables austeníticos se pueden endurecer por deformación, pasando su estructura metalográfica a contener martensita. Se convierten en parcialmente magnéticos, lo que en algunos casos dificulta el trabajo en los artefactos eléctricos. A todos los aceros inoxidables se les puede añadir un pequeño porcentaje de molibdeno, para mejorar su resistencia a la corrosión por cloruros.

Su resistencia a la corrosión, sus propiedades higiénicas y sus propiedades estéticas hacen del acero inoxidable un material muy atractivo para satisfacer diversos tipos de demandas, como lo es la industria médica.

Serie 300- Los Aceros Inoxidables Austeníticos:

Son los más utilizados por su amplia variedad de propiedades, se obtienen agregando Níquel a la aleación, por lo que la estructura cristalina del material se transforma en austenita y de aquí adquieren el nombre. El contenido de Cromo varía de 16 a 28%, el de Níquel de 3.5 a 22% y el de Molibdeno 1.5 a 6%. Los tipos más comunes son el AISI 304, 304L, 316, 316L, 310 y 317. Las propiedades básicas son: Excelente resistencia a la corrosión, excelente factor de higiene - limpieza, fáciles de transformar, excelente soldabilidad, no se endurecen por tratamiento térmico, se pueden utilizar tanto a temperaturas criogénicas como a elevadas temperaturas.

Principales aplicaciones: Utensilios y equipo para uso doméstico, hospitalario y en la industria alimentária, tanques, tuberías, etc.

En el acero inoxidable no hay nada que se pueda pelar, ni desgastar, ni saltar o desprenderse. El acero ordinario, cuando queda expuesto a los elementos, se oxida y forma óxido de hierro polvoriento en su superficie; si esta no se combate, la oxidación sigue adelante hasta que el acero esté completamente corroído.

También los aceros inoxidables se oxidan, pero en vez de óxido común, lo que se forma en la superficie es una tenue película con un espesor típico de 8 a 10 Ángstroms (1 Ángstrom = 10-8 cm.) de óxido de cromo -que también contiene hierro y níquel- muy densa que constituye una coraza contra los ataques de la corrosión. Si por cualquier razón esta película de óxido de cromo que recubre los aceros inoxidables es eliminada, se vuelve a formar inmediatamente otra es su reemplazo al combinarse el cromo con el oxígeno de la atmósfera ambiente.



El tipo de acero que nosotros elegimos es un AISI 304 y a continuación presentamos algunas características del mismo, las cuales nos ayudaron a elegir a este tipo de acero como el adecuado para la fabricación de nuestro volante de dirección.

Aceros inoxidables austeníticos

Los aceros inoxidables austeníticos no son magnéticos y no pueden ser endurecidos por tratamiento térmico. Son muy dúctiles y presentan excelente soldabilidad.

El inoxidable austenítico más popular es el Tipo 304, que contiene básicamente 18% de cromo y 8% de níquel, con un tenor de carbono limitado a un máximo de 0,08%. Tiene gran aplicación en las industrias químicas, farmacéuticas, de alcohol, aeronáutica, naval, uso en arquitectura, alimenticia, y de transporte. Es también utilizado en cubiertos, vajillas, piletas, revestimientos de ascensores y en un sin número de aplicaciones.

En determinados medios, especialmente en aquellos que contienen iones cloruro, el inoxidable 304 muestra propensión a una forma de corrosión llamada corrosión por picado. Es un tipo de corrosión extraordinariamente localizada, en la cual en determinados puntos de la superficie del material, el medio agresivo consigue quebrar la película pasiva para después progresar en profundidad. El crecimiento de los picados se da en un proceso autocatalítico y aunque la pérdida de masa pueda ser a veces insignificante, esta forma de corrosión es muy insidiosa, ya que muchas veces un picado es suficiente para dejar un equipo fuera de servicio.

La corrosión por rendijas, puede ser considerada como una corrosión por picado artificial. El aspecto es frecuentemente semejante al de la corrosión por picado y el proceso de crecimiento es también autocatalítico. Pero, la existencia de una rendija es necesaria para la ocurrencia del fenómeno, lo que no sucede en la corrosión por picado. Los mismos medios capaces de provocar la corrosión por picado, promueven la corrosión por rendijas en los aceros inoxidables.

El molibdeno es introducido como elemento de aleación en los aceros inoxidables precisamente para disminuir la susceptibilidad a estas formas de corrosión. La presencia de molibdeno permite la formación de una capa pasiva más resistente y en casos en que el inoxidable 304 no resiste a la acción de determinados medios, corroyendo por picado o por rendijas, los inoxidables 316 y 317 constituyen una excelente solución. Son aceros con gran utilización en las industrias químicas, de alcohol, petroquímica, de papel y celulosa, en la industria petrolífera, industrias textiles y farmacéutica.

Cuando están sometidos por algún tiempo a las temperaturas entre 450 y 850 ºC, los aceros inoxidables austeníticos están sujetos a la precipitación de carburos de cromo en sus contornos de granos, lo que los torna sensibilizados. Esta precipitación abundante de carburos, la sensibilización, resulta en la disminución del tenor de cromo en las regiones vecinas a los bordes, regiones que tienen así su resistencia a la corrosión drásticamente comprometida, tornando el material susceptible a la corrosión intergranular en ciertos



medios. Las zonas térmicamente afectadas por operaciones de soldado son particularmente sensibles a esta forma de corrosión, ya que durante el ciclo térmico de soldado parte del material es mantenido en la faja crítica de temperaturas. La consideración de este fenómeno llevó al desarrollo de los inoxidables austeníticos extra bajo carbono, 304L, 316L y 317L, en los cuales el tenor de carbono es controlado en un máximo de 0,03%, quedando así extremadamente reducida la posibilidad de sensibilización.

La utilización de estabilizadores tiene también la finalidad de evitar el problema de la sensibilización. El titanio, adicionado como elemento de aleación, inhibe la formación de carburo de cromo debido al hecho de tener una afinidad mayor por el carbono que aquella que tiene el cromo. Así, se precipita carburo de titanio y el cromo permanece en solución sólida. Con la misma finalidad puede ser utilizado el niobio.

Tanto el titanio como el niobio son estabilizadores del carbono y los aceros inoxidables así obtenidos, el 321 y el 347 son conocidos como aceros inoxidables estabilizados. El inoxidable 316 Ti es la versión estabilizada del tipo 316. Para aplicaciones en equipos que operan entre 400 y 900ºC, los aceros inoxidables estabilizados son los más recomendados, ya que conservan mejores propiedades mecánicas en esas temperaturas que los aceros de extra bajo carbono; notoriamente la resistencia al creep.

En el inoxidable 304 L (20Cr-25Ni-4,5Mo-1,5Cu), la adición de elementos de aleación busca mejorar no sólo la resistencia al picado sino también la resistencia a la corrosión en medios ácidos reductores. El elevado tenor de níquel mejora también el comportamiento frente a la corrosión bajo tensión.

En los casos en que se pretende una buena resistencia mecánica y no existe gran preocupación por la corrosión intergranular, los aceros inoxidables 304H y 316H, con tenores de carbono en el rango de 0,04/0,10%, son recomendados. La precipitación de una fina red de carburos de cromo, tan perjudicial bajo el punto de vista de la corrosión, se torna benéfica cuando lo que interesa son las propiedades mecánicas.

Aumentos considerables en los tenores de cromo y níquel permiten elevar la temperatura de formación de cascarilla (escamado) de los aceros inoxidables austeníticos. El inoxidable 304 es recomendado para trabajo al aire libre, a temperaturas inferiores a 925 ºC en servicios continuos. En las mismas condiciones, el inoxidable 310, con cromo 24/26% y níquel 19/22%, resiste temperaturas de hasta 1150ºC. Es un material clasificado como acero inoxidable refractario.

Grandes aumentos de níquel, llevan a las aleaciones Ni-Cr-Fe, donde el elemento con mayor presencia en el material ya no es el hierro sino el níquel, Estos materiales no son conocidos como aceros inoxidables sino como aleaciones a base de níquel y presentan excelente resistencia a la corrosión en diversos medios a altas temperaturas. El elevado tenor de níquel da también garantía de una buena resistencia a la corrosión bajo tensión.



El inoxidable 304 es un material con excelente ductilidad. Para casos de estampado extra profundo, un aumento en el tenor de níquel permite mejorar todavía más la ductilidad. Con esta finalidad fue desarrollado el Tipo 305.

Ligeras reducciones en el tenor de níquel disminuyen la estabilidad de la austenita, permitiendo la aparición de martensita inducida por deformación en frío, consiguiéndose así excelentes propiedades para aplicaciones estructurales. Es el Tipo 301, disponible en las versiones 1/4, 1/2, 3/4 y totalmente duro y con gran utilización en las industrias ferroviarias, de trenes metropolitanos y de carrocerías de ómnibus.

El Tipo 303 resulta del aumento del tenor de azufre en el 304 con la finalidad de mejorar la maquinabilidad. La ductilidad y la resistencia a la corrosión quedan comprometidas por este aumento en la cantidad de azufre.

Los aceros de la serie 200, resultan de una substitución parcial de níquel por manganeso. Son utilizados en aplicaciones estructurales, presentando resistencia a la corrosión inferior al 301.

Tipo de acero inoxidable Aplicación

Austenítico (resistente a la corrosión)

equipos para industria química y petroquímica

equipos para industria alimenticia y farmacéutica

construcción civil

vajillas y utensilios domésticos

Ferrítico (resistente a la corrosión, más barato)

Electrodomésticos (cocinas, heladeras, etc.)

mostradores frigoríficos

monedas

industria automovilística

cubiertos

Martensítico (dureza elevada)

cuchillería

instrumentos quirúrgicos como bisturí y pinzas

cuchillos de corte

discos de freno



2.5 Técnicas para la eliminación de defectos superficiales en el Acero Inoxidable.

TABLA DE DEFECTOS SUPERFICIALES Y TÉCNICAS PARA SU ELIMINACIÓN

DEFECTO TECNICA PARA ELIMINARLO

Polvo y suciedad Lavar con agua y/o detergente. Si es necesario, hacerlo con agua a presión o vapor.

Inclusiones de partículas de hierro

Tratar la superficie con solución de ácido nítrico al 20%. Lavar con agua limpia. Confirmar la eliminación con el test del ferroxilo. Si el hierro está aún presente, utilizar una solución de ácido nítrico y ácido fluorhídrico.

Rasguños, manchas de calentamiento

Pulir la superficie con un abrasivo fino. Decapar la superficie con una solución de ácido nítrico al 10% y ácido fluorhídrico al 2 % hasta eliminar todas las trazas. Lavar con agua limpia o electropulir.

Áreas oxidadas Tratar la superficie con una solución de ácido nítrico.

Rugosidades Pulir con un abrasivo de grano fino.

Marcas de electrodos Eliminar mediante pulido con abrasivo de grano fino, o soldar encima si está en la línea de soldadura.

Salpicaduras de soldadura Prevenirlas mediante la utilización de una película adhesiva a los costados del cordón de soldadura, o eliminarlas utilizando un abrasivo de grano fino.

Marcas de decapante de soldadura

Eliminar mediante abrasivo de grano fino.

Defectos de soldadura Si es inaceptable, eliminar con amoladora y volver a soldar.

Aceite y grasa Eliminar con solventes o limpiadores alcalinos.

Residuos de adhesivos Eliminar con solventes o mediante pulido con abrasivo de grano fino.

Pintura, tiza y crayón Lavar con agua limpia y/o limpiadores alcalinos

Productos de proceso Lavar con agua limpia o vapor, o disolver mediante solvente adecuado.

Depósitos coloreados Disolver con ácido nítrico, fosfórico o acético al 10-15%. Lavar con agua limpia.



2.5.1 Naturaleza de la Superficie del Acero Inoxidable.

Cuando el acero inoxidable se saca del baño ácido y se enjuaga con agua en la usina siderúrgica, una fina capa de óxido adherente se forma instantáneamente. Esta capa transparente, con un espesor típico de 8 a 10 Ángstroms (1 Ángstrom = 10-8cm), está formada principalmente por óxidos de cromo y también contiene hierro y níquel. Cuando está limpia y adecuadamente formada, es bastante inerte bajo la mayoría de las condiciones. En este estado, se dice que el acero inoxidable está en estado "pasivo". Los subsiguientes tratamientos de "pasivación" son principalmente tratamientos de limpieza que no inducen la pasividad, pero reparan los defectos en la superficie y eliminan las sustancias que pueden dañar la película superficial.

Esta película, aunque muy fina, es extremadamente durable y se mantiene continuamente en el aire u otro ambiente oxidante, tales como agua aereada o ácido nítrico. Cuando se produce un daño en este tipo de medio, la película se repara automáticamente. Hay muy pequeña diferencia en la composición y propiedades de la película pasiva entre los diferentes tipos de acero inoxidable, aunque ciertas adiciones a la aleación tales como molibdeno pueden estabilizar el óxido y aumentar la resistencia a la corrosión.

Imagen 2.11 Vista en corte de una superficie de acero inoxidable.

Limpieza de los equipos de acero inoxidable.

Como se mencionó anteriormente, muchos de los defectos superficiales se introducen durante la fabricación y manejo de los materiales y equipo. A través de la insistencia en procedimientos e inspecciones adecuados, se pueden evitar muchos problemas asociados con la falta de cuidados y errores de fabricación.



2.6 Sugerencias y especificaciones para el correcto tratamiento y maquinado de Acero Inoxidable.

Se sugieren las siguientes especificaciones para agregar a las órdenes de compra:

1 - Todas las superficies que estarán en contacto con los productos del proceso deberán estar libres de aceite, grasa, marcas de dedos, crayones, tintas, pinturas, cintas, y otras sustancias que contengan material orgánico. Se requerirá el test previsto por la norma ASTM A380.

2 - Todas las superficies deberán estar libres de contaminación por hierro. Se requerirán los tests del agua y del ferroxilo estipulados en la norma ASTM A380.

3 - Todas las soldaduras deberán estar libres de coloración y otras oxidaciones, salpicaduras, marcas de electrodos, decapantes y zonas manchadas por cepillado y pulido. Si la inspección visual revela estos defectos, se requerirá el tratamiento mecánico, químico y/o electroquímico adecuado.

4 - Todos los defectos de soldadura tales como penetración incompleta, fusión incompleta y rajaduras, deberán ser reparadas desbastando y volviendo a soldar.

5 - Se requerirá que todas las aberturas sean cerradas después que se hayan realizado los procedimientos de limpieza. Todas las tapas deberán permanecer en posición hasta en ensamblado final y durante el transporte.

6 - El equipamiento será inspeccionado en el establecimiento del fabricante, antes del embarque, para dar cumplimiento a los puntos 1, 2, 3, 4 y 5.

2.7 Consideraciones especiales para planchas, tunos y productos de fundición.

Estos productos presentan problemas especiales cuando la calidad de la superficie es importante. Se hará un breve comentario sobre cada uno de ellos:

1 - Planchas: se considera plancha al material que tiene más de 5 mm. de espesor. Aunque se suministran normalmente laminadas en caliente y decapadas, la norma ASTM A480/A480M describe cinco terminaciones superficiales. La terminación superficial nº 4, que se produce mediante pulido con abrasivo grano 150, es adecuada para servicio sanitario. Las otras son normalmente demasiado rugosas. También pueden contener rajaduras y otros defectos que pueden ser iniciadores de procesos de corrosión.

2 - Tubos: los productos tubulares soldados con espesores de pared de 5 mm. o menos se hacen a partir de cintas. La calidad de la superficie original de estos productos normalmente es bastante brillosa y suave. La norma ASTM A270 se utiliza ampliamente cuando la



facilidad de limpieza es un requerimiento. Los tubos hechos de acuerdo con la ASTM A270 están disponibles con la superficie esmerilada, pulida o electropulida. Los productos tubulares hechos de acuerdo con las otras especificaciones ASTM tales como la A312/A312M, tienen la mayor de las veces la superficie decapada. Los tubos de paredes más gruesas están hechos a partir de planchas, y tienen la misma terminación superficial. Se deberá especificar una terminación nº 4 cuando se los utilice en un servicio sanitario.

Cuando los productos tubulares y otros componentes estén unidos por soldadura, es esencial que las superficies interiores estén libres de coloraciones antes de que el equipo se ponga en servicio. Se puede usar un decapado cuidadosamente controlado para eliminar estos óxidos. Algunos fabricantes producen tubos con las superficies interiores electropulidas después de la soldadura. La soldadura orbital automática es una excelente técnica que produce una soldadura lisa esencialmente libre de coloración.

3 - Barras: para mejorar la maquinabilidad, muchos productos redondos de acero inoxidable se hacen con aleaciones especiales de alto contenido de azufre, tal como la AISI 303. Esto conduce a un incremento en el número de inclusiones globulares de sulfuros, que son estiradas a medida que se forma la barra. Debido a su longitud, es probable que las inclusiones no sean completamente eliminadas por el decapado, especialmente en los extremos. También las partes maquinadas a menudo no son sometidas a un decapado como tratamiento estándar. Esto puede conducir a problemas mayores, debido a que los sulfuros expuestos pueden actuar como sitios donde comienza el picado. Probablemente, la mejor práctica sea utilizar solamente las aleaciones con bajo contenido de azufre y aceptar el incremento en los costos de maquinado.

4 - Fundiciones: la mayoría de las aleaciones comunes de acero inoxidable pueden ser fundidas, y su resistencia a la corrosión es similar. La mayor diferencia en el uso de elementos fundidos es que normalmente tienen superficies más rugosas y porosas que los productos forjados. También tienen más trabajo de esmerilado y reparaciones por soldadura. Es importante que los usuarios de productos fundidos insistan en la buena calidad de las fundiciones, y demanden los mismos procedimientos de limpieza que los que se usan en el equipamiento fabricado con productos forjados.

2.8 Composición Química de los Aceros Inoxidables. (Tabla se muestra en la siguiente página)

DISEÑO DE VOLANTES DE DIRECCIÓN

ESIME AZCAPOTZALCO INGENIERIA MECÁNICA

Composición Química (%) de los Aceros Inoxidables Austeníticos y Aleaciones de Níquel

Imagen 2.12 Tabla de composición química de los aceros Inoxidables Austeníticos y Aleaciones de Níquel.

* Se acepta un contenido máximo de carbono del 0.04% para tubos trefilados.

Para que se de una idea un poco mas clara de lo que nosotros queremos hacer anexamos información de lo que es patografía, pantógrafo y un par de ejemplos de lo que se puede hacer con esta valiosa maquina herramienta.

GRADO 304 304L 316 316L 317 317L 321 400 825 625 C-276 DUPLEX 2205

Designación UNS S30400 S30403 S31600 S31603 S31700 S31703 S32100 N04400 N08825 N06625 N10276 S31803

CARBONO (C) max.

0.08 0.035* 0.08 0.035* 0.08 0.035* 0.08 0.30 0.05 0.10 0.02 0.03

MANGANESO (Mn) max.

2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 1.00 0.50 1.00 2.00

FOSFORO (P) max. 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 ---- ---- 0.015 0.04 0.03

AZUFRE (S) max. 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.024 0.03 0.015 0.03 0.02

SILICIO (Si) max. 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.50 0.50 0.50 0.08 1.00

CROMO (Cr) max. 18.0 a 20.0

18.0 a 20.0

16.0 a 18.0

16.0 a 18.0

18.0 a 20.0

18.0 a 20.0

17.0 a 20.0

---- 19.5 a 23.5

20.0 a 23.0

14.5 a 16.5

21.0 a 23.0

NIQUEL (Ni) 8.0 a 11.0

8.0 a 13.0

10.0 a 14.0

10.0 a 15.0

11.0 a 14.0

11.0 a 15.0

9.0 a 13.0

63.0 a 70.0

38.0 a 46.0

Balance Balance 4.5 a 6.5

MOLIBDENO (Mo) ---- ---- 2.0 a 3.0 2.0 a 3.0 3.0 a 4.0 3.0 a 4.0 ---- ---- 2.5 a 3.5 8.0 a 10.0

15.0 a 17.0

2.5 a 3.5



2.9 Proceso de Fabricación dentro de volante. En el capitulo primero mencionamos que la forma mas adecuada de la fabricación de nuestro volante era haciendo el centro del volante con el resultado de una placa de acero inoxidable, la cual seria cortada con pantógrafo. Adelante mencionaremos que es la pantografía, características del pantógrafo y los productos que se pueden fabricar por medio de esta máquina herramienta. 2.9.1 Pantografía.

La pantografía es un sistema de grabación que utiliza un instrumento que permite copiar a igual o distinta escala un dibujo o plano. Está compuesto por un troquel con una punta cortante, que suele ser de diamante, guiada por un pantógrafo, proceso que se va efectuando letra a letra o motivo a motivo. En el sector publicitario se utiliza para marcar artículos resistentes que puedan soportar la acción cortante de este sistema, como son los metales. El resultado de la pantografía es una impresión que no tiene color definido, sino que depende de la segunda capa del material grabado.

Actualmente la pantografía es un sistema de grabación de alta precisión y que está computarizada. Se realiza mediante plotters controlados por ordenador. El cabezal móvil utiliza una punta de diamante o una fresa para trazar las líneas del dibujo erosionando la superficie del metal.

La pantografía es una forma de impresión costosa muy adecuada para series pequeñas tales como bandejas para celebraciones, trofeos, medallas. Sin embargo ofrece grabaciones elegantes, imborrables y brillantes.

Otra definición nos dice que la pantografía es una técnica de delineación que permite al delineante, utilizando un pantógrafo, reproducir un dibujo o plano con alta precisión y a una escala deseada, siempre condicionada por las dimensiones del pantógrafo utilizado. Su aplicación está vinculada a todos los sectores industriales y artísticos en los que sea necesario ampliar o reducir con precisión cualquier dibujo lineal, sea un plano o un trazado artístico. Desde el nacimiento de la Xerografía, la reproducción de planos a escala fue sustituida por las fotocopiadoras y posteriormente por las impresoras infográficas (infografía) de papel contínuo. Actualmente, los pantógrafos manuales, han sido sustituidos por programas informáticos en diferentes aplicaciones de diseño y por pantógrafos infográficos que permiten reproducir trazados a escala, con gran precisión, sin que sea necesaria la intervención repetitiva de un delineante. Hay pantógrafos infográficos con los que se trabaja sobre una superficie plana, habitualmente utilizada para cortar tanto rotulaciones de cartelería y señalización, como para el trazado de corte de tejidos, para prendas de vestir, plásticos, envases, sustituyendo a troqueladoras, con cortes realizados con cuchillas de acero, diamante o rayos láser; o pueden ser trazadores sobre cilindros, que soportan papel continuo y que una cabeza impresora o cortadora, que imprime en chorro de tinta el documento contenido en el disco del ordenador con el que se controla el equipo impresor o de corte. También existen pantógrafos 3D, nacidos del desarrollo informático con los que, los objetos dibujados en el plano, se pueden



reproducir en volumen; aunque estos nuevos instrumentos podrían ser también considerados como un "torno" con mayor capacidad de reproducción, con el que se puede reproducir, por ejemplo, una cabeza humana, a escala, tomando la información de una base de datos digital procedente de un análisis métrico realizado con un equipo explorador infográfico (escáner) y sustituyendo el trabajo de un escultor. Esta técnica se utiliza frecuentemente para el modelado de objetos o piezas; la realización de maquetas de automóviles, diseños arquitectónicos, objetos publicitarios personalizados, etc.

Algunos ejemplos de pantógrafos son los siguientes:

Imágenes 2.13 (arriba) y 2.14 (abajo) Ejemplos de pantógrafos.



2.9.2 Características técnicas de los pantógrafos en general.

- Máquina para trazar de un maestro y grabar una reproducción idéntica sobre varios tamaños y tipos de material con un resultado muy profesional - Posibilidad de grabar varios artículos como: Placas de señal, Chapas, insignias de metal, Etiquetas, efectos personales, Identificaciones, Designaciones, Ilustraciones, Clasificaciones, Símbolos, Marca registrada, Indicaciones, y otros aplicaciones sin limite - Grabación obtenido copiando de un modelo, plantilla o patrón. La plantilla puede ser letras, numerales o cualquier tipo de diseño. - El pantógrafo tiene ajusto del razón variable. Mediciones ilustradas sobre el pantógrafo para ajustar la razón requerida, que siempre es una reducción de la plantilla. - Prensa de tornillo porta trabajo auto-centrador con movimiento lateral y transversal - Las correderas para coger el maestro posicionado sobre la placa trazadora con un aparato de sujeción. Eso permita posicionar una fila o más de texto. Escalas graduadas asegura paralelismo entre las correderas para coger el maestro y prensa de tornillo porta trabajo. - El cortador corre en cojinetes precisos a velocidad apropiado para grabar sobre una gama amplia de materiales. Un aparato regulador automáticamente asegura el profundidad constante y consistente de grabación sobre un superficie plano o un poco desigual - Se puede aumentar la área cubierta por el pantógrafo con los movimientos de la prensa de tornillos y también con el movimiento de la portadora de pantógrafo por la corredera, alternativamente por mover las correderas para coger el maestro o el componente grabando. Trabajo muy grande se puede grabar sobre el modelo SG-2 porque esta maquina incorpora un pantógrafo con elevador, que puede ser posicionado como deseado. - Ofrecemos tres tipos de cortadores: 1. Cortadores de Acero Rápido para grabar sobre perspex, acrílica, plástico, latón, aluminio anodizado, madera dura, etc. 2. Cortadores de Carburo para grabar sobre material abrasivo de plástico, bakelita, hylam, formica, etc. 3. Cortadores de Diamante para grabación rayado sobre metales como Plata, Oro, Platino o sobre vidrio, etc. Los perfiles de los cortadores determina la forma de grabación y este perfil se puede hacer sobre la rectificadora de fresas - La Máquina modelo SG-1 es portátil de banco, ideal para una variedad de trabajos de grabación - La Máquina modelo SG-2 es apropiado para aplicaciones múltiples de grabación de alta precisión y también para paneles muy grandes. Esta maquina incorpora un pantógrafo con elevador para grabación de especialmente trabajo no posible sobre maquinas convencionales. Adaptado para paneles electrónicas, numeración de partes, hacer marcas sobre herramientas, perfiles especiales, cortar estarcidos, etc.



2.9.3 Pantógrafo CNC.

Grabado o fresado con Pantógrafo de Control numérico.

Es posible realizar diferentes mecanizados sobre materiales rígidos: metales, plásticos, madera u otros materiales especiales. Se aplica sobre todo para la realización de moldes para numismática, orfebrería, inyección de plásticos, machos para electroerosión, trabajos sobre matricería, grabaciones de precisión, nonius, etc.

El control numérico se conecta a un sistema informático sofisticado con el que se pueden llegar ha construir moldes o matrices, generando las geometrías con un programa informático de mecanizados o copiando la superficie mediante un palpador desde un original tallado o modelado a mano.

Algunos de los productos que se pueden realizar con pantógrafo:

Imagen 2.15

Imagen 2.16 Imagen 2.17 Imagen 2.18



Imagen 2.19

Imagen 2.20

¡

Pasando a la explicación del proceso de producción, a continuación voy a revelar algo de información acerca de la fabricación del volante de dirección, parte de la información se podrá apreciar de una manera mas clara en el video anexo que se encuentra en el disco compacto.

El primer paso en el proceso de producción fue remarcar el dibujo del diseño que habíamos realizado, ya que la parte remarcada (exterior del centro de volante) iba a ser seguida por el lector e iba a continuar su trayectoria cortando según el diseño, esto se podrá observar en las siguientes imágenes.



Imagen 2.21, 2.22, 2.23 y 2.24 Plantilla y producto del corte de la placa de acero inoxidable por pantógrafo

Como resultado del corte por pantógrafo obtuvimos nuestra parte central del volante, a pesar de la exactitud de esta maquina tuvimos que hacer algunos ajustes debido a que había quedado una rebaba que eliminamos con una piedra de carburo.

Imagen 2.25 Pulido de centro de volante.

Después de la limpieza de nuestro material seguimos con la perforación del centro para poderlo atornillar a nuestro adaptador que se encuentra adecuado a la flecha de la dirección. Tuvimos que tomar en cuenta algunos datos como el grosor de los tornillos (3/16´´) y la localización exacta en la que se tenia que perforar, de tal manera que no hubiera errores a la hora de atornillar al adaptador.



Imagen 2.26 Centro de volante ya acoplado al adaptador. 2.10 Proceso de fabricación del aro del volante (alma).

Para la fabricación del aro de nuestro volante vamos a rolar un tubo y a soldarlo por lo que decidimos agregar información acerca del rolado y su procedimiento.

2.10.1 Proceso de Rolado. Para fabricar los diferentes objetos útiles en la industria metálica, es necesario que el acero se presenten barras, láminas, alambres, placas, tubos, o perfiles estructurales, los que se obtienen de los procesos de rolado. El proceso de rolado consiste en hacer pasar al acero en estado pastoso por unos rodillos ubicados de tal forma que por deformación le den al material la forma deseada. El material con el que se alimentará a los rodillos deberá tener una forma mas o menos determinada, esta forma se obtiene al colar el metal en moldes, que luego será procesado, a estos productos se los denomina lingotes o lupias y pueden ser secciones rectangulares, cuadradas o redondas. Los lingotes (cilindros con un extremo menor que el otro) o lupias (lingotes de gran tamaño con secciones rectangulares) pueden tener desde 25kg hasta varias toneladas, todo dependerá del uso que se le va a dar, y por que tipo de rodillos se va a procesar. Para esta ocasión el metal debe estar en estado pastoso, de lo contrario se necesitaría de gran esfuerzo y seria difícil su procesado, por esto el metal se recalienta hasta alcanzar el estado necesario.



Imagen 2.27 Ejemplo de roladora (en este caso es una roladora de placa).

Diferentes tipos de rolado.

Mandril para Doblar Tubos y Tubería.

El doblado por Mandril usa un eje de metal, o mandril, colocado dentro del tubo o de la tubería de acero. Mientras el mandril se mueve, curva el metal alrededor de un dado de un tamaño adecuado para formar el radio.

La técnica del Mandril funciona mejor cuando el tubo o la tubería de acero poseen una pared pesada y/o requiere un radio cerrado porque impide la ondulación del material. El Mandril solo puede doblar tubería de acero hasta 180 grados, pero produce una curva uniforme por todo el tubo o la tubería.

Acero Doblado por Prensa.

Con la técnica de la Prensa, el acero se dobla introduciendo el tubo, la tubería, el canal, la barra o la viga de acero por una prensa aplicando una presión cada 6 o 7 pulgadas hasta que se doble el material.

El método por Prensa se usa para doblar vigas, tuberías, canales, barras o tubos que son más grandes y pesados (24 a 36 pulgadas y más anchos) que no necesitan un radio cerrado. Muchos de nuestros competidores no tienen esta capacidad.



Esta técnica permite producir vigas de acero de soporte de carga usadas para la construcción de escuelas, gimnasios, centros comerciales y puentes.

Mandamos a rolar nuestro tubo de acero inoxidable, logrando así tener listo lo que seria el aro de nuestro volante de dirección.

2.11 Soldadura.

En cuento tuvimos nuestro aro rolado continuamos con el soldado del mismo, cerrándolo por medio de soldadura de argón de alta resistencia, llamada así porque se utiliza este gas para el proceso. Ya con nuestro aro perfectamente cerrado, procedimos a la soldar nuestro centro al aro, consiguiendo con esto tener casi por terminado nuestro volante

La soldadura es un proceso de unión de materiales, en el cual se funden las superficies de contacto de dos o más partes mediante la aplicación de calor o precisión.

La integración de las partes que se unen mediante soldadura se llama ensamble soldado.

Muchos procesos de soldadura se obtienen solamente por el calor sin aplicar presión. Otros se obtienen mediante una combinación de calor y presión, y unos únicamente por presión sin aportar calor externo.

En algunos casos se agrega un material de aporte o relleno para facilitar la fusión. La soldadura se asocia con partes metálicas, pero el proceso también se usa para unir plásticos.

La soldadura es un proceso importante en la industria por diferentes motivos:

• Proporciona una unión permanente y las partes soldadas se vuelven una sola unidad.

• La unión soldada puede ser más fuerte que los materiales originales si se usa un material de relleno que tenga propiedades de resistencia superiores a la de los metales originales y se aplican las técnicas correctas de soldar.

• La soldadura es la forma más económica de unir componentes. Los métodos alternativos requieren las alteraciones más complejas de las formas (Ej. Taladrado de orificios y adición de sujetadores: remaches y tuercas). El ensamble mecánico es más pesado que la soldadura.

• La soldadura no se limita al ambiente de fábrica, se puede realizar en el campo.

Además de las ventajas indicadas, tiene también desventajas:



• La mayoría de las operaciones de soldadura se hacen manualmente, lo cual implica alto costo de mano de obra. Hay soldaduras especiales y la realizan personas muy calificadas.

• La soldadura implica el uso de energía y es peligroso.

• Por ser una unión permanente, no permite un desensamble adecuado. En los casos cuando es necesario mantenimiento en un producto no debe utilizarse la soldadura como método de ensamble.

La unión soldada puede tener defectos de calidad que son difíciles de detectar. Estos defectos reducen la resistencia de la unión.

2.11.1 Tipos de Soldadura.

La soldadura produce una conexión sólida entre dos partes llamadas unión por soldadura.

Hay cinco tipos básicos de uniones:

• Unión Empalmada

En este tipo de unión las partes se encuentran en el mismo plano y se unen sus bordes

• Unión de Esquina

Las partes en este tipo de unión forman un ángulo recto y se unen en la esquina del ángulo.

• Unión Superpuesta

Esta unión consiste en dos partes que se sobreponen.

• Unión en “T”

Una parte es perpendicular a la otra forma de la letra “T”

• Unión de Bordes

La unión se hace en el borde común

Soldadura por arco con gas protector

En este proceso la unión se logra por el calor generado por un arco eléctrico que se genera entre un electrodo y las piezas, pero el electrodo se encuentra protegido por una copa por la que se inyecta un gas inerte como argón, helio o CO2. Con lo anterior se



genera un arco protegido contra la oxidación y además perfectamente controlado. Existen dos tipos de soldadura por arco protegido la TIG y la MIG.

La soldadura TIG (tungtein inert gas) es aquella en la que el electrodo de la máquina es de tungsteno, por lo que el metal de aporte se debe añadir por separado. Imagen 2.28 Soldadura TIG.

La soldadura MIG (metal inert gas) es la que el electrodo es de un metal que se utiliza como metal de aporte, por lo que este sistema es considerado como un proceso de soldadura continua. Imagen 2.29 Soldadura MIG.

2.11.2 Gases Para soldadura TIG. Todos los procesos TIG precisan gases de protección inertes y reductores o mezclas de los mismos. Cualquier componente de mezcla activo (oxígeno, dióxido de carbono,...), conduciría a la interrupción del arco y un gran desgaste del electrodo, provocando inclusiones de tungsteno al charco de fusión. ARGÓN SOLDADURA. El argón es un gas noble, incoloro e inodoro que forma parte del aire atmosférico en un 0,93% vol. Tiene ante todo en Europa un papel decisivo como gas de protección. Su pureza es del 99,995%, siendo sus principales impurezas el nitrógeno, que existe en



cantidad inferior a 30ppm; el agua, con cantidades inferiores a 8ppm; y el oxígeno, con cantidades por debajo de 10ppm. El argón tiene las siguientes características para el arco voltaico: - Baja conductibilidad térmica, con lo que resulta una larga vida para los núcleos de plasma, que producen un arco voltaico estable y una mayor facilidad para encenderse de nuevo el arco, como por ejemplo, en el caso de la soldadura por corriente alterna. - Puede conseguir un núcleo del arco voltaico muy caliente, que le da bastante poder al arco. Sus características técnicas más sobresalientes son: * Masa molar: 39,95 g/mol * Punto triple: 4 - Temperatura: 83,8 K (-189,4° C) - Presión: 688mbar - Calor latente de fusión: 29,3 kJ/Kg. * Punto de ebullición a 1013 mbar: - Temperatura: 87,3 K (-185,9° C) - Calor latente ebullición: 164 kJ/Kg. * Punto crítico: - Temperatura: 150,7 K (-122,5° C) - Presión: 48,6 bar. - Densidad: 0,531 Kg./litro * Estado gaseoso a 1013 mbar y 273,15 K (0° C): - Densidad relativa al aire: 1,38 Se emplea para la soldadura de aceros inoxidables, cobre, aceros al carbono y la mayor parte de aluminios. Para la soldadura por procedimiento TIG del titanio, tántalo, circonio y unos pocos aluminios, es imprescindible el uso de argón puro. Soldando aluminio, los electrodos deben ser de tungsteno puro, mientras que para el resto de metales, deben estar aleados con 1, 2 ó 3% de torio. Especialmente el 3% de aleación de torio es muy recomendable para la soldadura automática del acero inoxidable.



Imagen 2.30 Forma de trabajo de soldadura TIG.

2.12 Terminado del volante.

El último paso dentro de la fabricación de nuestro proyecto fue el terminado, por motivos de dinero y de tiempo lo único que se hizo fue darte una pulida de modo que el volante se pudiera apreciar con un terminado espejo.

Imagen 2.31 Volante terminado.



Imagen 2.32 Volante terminado.

En cuanto al proceso de soldadura y de pulido enunciamos aun poco de información en los siguientes párrafos, esto solo para dar a entender de una manera mas clara los procesos finales a los que fue sometido el volante.

2.12.1 Pulido

Se denomina pulir a una operación mecánica que se realiza en la superficie de varios materiales para mejorar su aspecto visual, su tacto y su funcionalidad. A esta operación también se la conoce cono los términos pulido

2.12.2 Pulido de metales.

El pulido de metales se realiza generalmente por motivos decorativos y mejorar el tacto, y consiste en limpiarlos bien y abrillantarlos cuando se trata restaurar artículos puros o chapados en oro, plata, cobre, aluminio, níquel, cromo y otros metales y aleaciones.



• Para lograr un buen pulido, se requieren el uso de máquinas tales como esmeriladoras, lustradoras, y pulidoras tanto fijas, de mesa o portátiles, también se puede efectuar el pulido de forma manual con la ayuda de papel de lija para metales. Además de las citadas máquinas se utilizan disolventes, ácidos y diversos materiales abrasivos.

• El pulido de metales puede suponer varios peligros, entre ellos, la exposición a sustancias químicas, accidentes en el uso de las máquinas, exposición a ruido y aspectos ergonómicos. Los trabajadores que realizan estas tareas deben observar precauciones de seguridad y utilizar equipos de protección personal. Los guantes, gafas de seguridad y caretas protectoras protegen las manos, ojos y la absorción de partículas de polvo. Se pueden utilizar crema, barrera para proteger la piel expuesta contra la absorción de sustancias químicas o metales.

• Las sustancias químicas usadas para pulir metales pueden ser inflamables y peligrosas. Antes de su uso deberá consultarse la hoja de datos de seguridad de materiales (MSDS) de cada sustancia química. Estas sustancias deben usarse en áreas dotadas de buena ventilación, sin humos ni fuentes de llamas.

• Mantener limpio el lugar de trabajo es importante; el exceso de partículas de polvo suspendidas en el aire puede crear un riesgo de explosión. Los trabajadores deben cambiar los materiales de limpieza y aspiradoras al cambiar de metales; la mezcla de polvo de diferentes metales puede ser explosiva. Las herramientas, pulidoras y ropa deben limpiarse con frecuencia y cambiarse antes de empezar a trabajar con un metal diferente.



Capitulo 3. Momento torsionante. Sabemos que nuestro volante va a estar sujeto a fuerzas, las cuales debe ser capar de soportar de una manera correcta sin fatigarse, deformarse o fracturarse. Las cargas a las que el volante estará sujeto permanentemente son las de momento torsionante, debido a que este tendrá que transportar con eficacia el esfuerzo de torsión que nosotros aplicamos a la hora de virar, al sistema de manejo, y lo deberá hacer de una forma eficiente. Antes de pasar a los cálculos es importante mencionar un par de definiciones que aclararan nuestro panorama a la hora de hacer los mismos. El momento torsionante es un momento interno que actúa paralelo o tangencialmente a la sección transversal, asociándole un efecto de torsión al eje longitudinal del elemento estructural.

3.1 Torsión

Torsión es la solicitación que se presenta cuando se aplica un momento sobre el eje longitudinal de un elemento constructivo o prisma mecánico, como pueden ser ejes o, en general, elementos donde una dimensión predomina sobre las otras dos, aunque es posible encontrarla en situaciones diversas.

La torsión se caracteriza geométricamente porque cualquier curva paralela al eje de la pieza deja de estar contenida en el plano formado inicialmente por las dos curvas. En lugar de eso una curva paralela al eje se retuerce alrededor de él.

El estudio general de la torsión es complicado porque bajo ese tipo de solicitación la sección transversal de una pieza en general se caracteriza por dos fenómenos:

1. Aparecen tensiones tangenciales paralelas a la sección transversal. Si estas se representan por un campo vectorial sus líneas de flujo "circulan" alrededor de la sección.

2. Cuando las tensiones anteriores no están distribuidas adecuadamente, cosa que sucede siempre a menos que la sección tenga simetría circular, aparecen alabeos seccionales que hacen que las secciones transversales deformadas no sean planas.

El alabeo de la sección complica el cálculo de tensiones y deformaciones, y hace que el momento torsor pueda descomponerse en una parte asociada a torsión alabeada y una parte asociada a la llamada torsión de Saint-Venant. En función de la forma de la sección y la forma del alabeo, pueden usarse diversas aproximaciones más simples que el caso general.

3.2 Torque El torque es la fuerza aplicada en una palanca que hace rotar alguna cosa. Al aplicar fuerza en el extremo de una llave se aplica un torque que hace girar las tuercas. En



términos científicos el torque es la fuerza aplicada multiplicada por el largo de la palanca (Torque = F x D) y se mide comúnmente en Newtons metro. 3.2 Cálculos de momento torsionante.

Imagen 3.1 Volante acoplado a una flecha de dirección.

Cuando se da una vuelta en redondo un conductor aplica una fuerza de 15 Kg. en el volante de dirección manual. La dirección hidráulica reduce este esfuerzo a unos 2.5 Kg.

.5.2 KgF =

..rFT =

.181.9

.5.2.

KgN

KgxKg

=

=

NF 525.42=

mr 368.05.14 =′′=

( )( )mNT

mNT

.032.9

368.0525.42

=

=

wTP .=

radrev

rad

s

revw π

π2

1

21 =

=



( )( )WP

P

753.56

2032.9

=

= π



Capitulo 4. Alternativas en el proceso de producción. Al pensar en la fabricación de nuestro volante de dirección para automóvil es más que obvio que nosotros tomamos en cuenta otras opciones de fabricación. Para la elección de la más correcta tomamos en cuenta los tiempos y costos que cada una de ellas nos tomaría. Sin embargo creo que es pertinente mencionar otra de las cuales tuvimos en cuenta, pero que por una u otra razón no utilizamos para la fabricación de nuestro volante. Es así como hablaremos acerca de la fundición, ya que nuestro proceso de fabricación alterno de nuestro volante consistía en la fabricación de un molde que nos permitiría obtener un modelo de fundición, con el cual obtendríamos un volante de dirección para automóvil.

4.1 Fundamento de Fundición. La fundición es un proceso en el cual se hace fluir metal fundido dentro la cavidad de un molde, donde solidifica y adquiere la forma del molde. Es uno de los procesos más antiguos de formado que remonta 6 mil años atrás y son muchos los factores y variables que debemos considerar para lograr una operación de fundición exitosa. La fundición incluye: la fundición de lingotes y la fundición de formas. El lingote es una fundición en grande de forma simple (barras rectangulares largas), diseñada para volver a formarse en otros procesos subsiguientes como laminado o forjado. La fundición de formas involucra la producción de piezas complejas que se aproximan más a la forma final deseada del producto. Existen diversos métodos para la fundición de formas, lo cual hace de este proceso uno de los más versátiles en manufactura. Sus posibilidades y ventajas son las siguientes: · La fundición se puede usar para crear partes de compleja geometría, incluyendo formas externas e internas. · Algunos procesos de fundición pueden producir partes de forma neta que no requieren operaciones subsecuentes para llenar los requisitos de la geometría y dimensiones de la parte. · Se puede usar la fundición para producir partes de unos cuantos gramos hasta formas que pesan más de 100 toneladas (coronas dentales, joyería, estatuas, bloques y cabezas para motores automotrices, bases para máquinas, ruedas para ferrocarril, tubos, carcasas para bombas, etc.). · El proceso de fundición puede realizarse en cualquier metal que pueda calentarse y pasar al estado líquido. · Algunos métodos de fundición son altamente adaptables a la producción en masa. Se debe mencionar también las desventajas asociadas con el proceso de fundición. Estas incluyen:



· Las limitaciones de algunos procesos · Se pueden obtener piezas con propiedades mecánicas no homogéneas · Piezas con porosidad · Baja precisión dimensional · Acabado deficiente de la superficie · Los riesgos que los trabajadores corren durante el procesamiento · Problemas ambientales. Se pueden fundir todas las variedades de metales ferrosos y no ferrosos polímeros y cerámicos. Revisaremos los fundamentos que se aplican prácticamente a todas las operaciones de fundido; se describen los procesos de fundición individualizados, junto con los aspectos que deben considerarse en el diseño de productos de fundición. 4.2 Tecnología de fundición. El proceso de fundición se realiza en una fundidora. Una fundidora es una fábrica equipada para hacer moldes, fundir y manejar el metal en estado líquido, desempeñar los procesos de fundición y limpieza de las piezas terminadas. Los trabajadores que realizan estas operaciones se llaman fundidores. El primer paso que se da en el proceso de fundición es la fabricaron del molde. El molde contiene una cavidad que dará la forma geométrica de la parte a fundir. La cavidad debe diseñarse de forma y tamaño ligeramente sobredimensionados, esto permitirá la contracción del metal durante la solidificación y enfriamiento. Cada metal sufre diferente porcentajes de contracción, por tanto, la cavidad debe diseñarse para el metal particular que se va a fundir. La cavidad del molde proporciona la superficie externa de la fundición; pero además puede tener superficies internas, que se definen por medio de corazones, los cuales son formas colocadas en el interior de la cavidad del molde para formar la geometría interior de la pieza. Los moldes se hacen de varios materiales que incluyen arena, yeso, cerámica y metal. Los procesos de fundición se clasifican frecuentemente de acuerdo a los diferentes tipos de moldes. En una operación de fundición, se calienta primero el metal a una temperatura lo suficientemente alta para transformarlo completamente en líquido. Después se vierte directamente en la cavidad del molde. En un molde abierto figura (a), el metal líquido se vacía simplemente hasta llenar la cavidad abierta. En un molde cerrado figura (b) y (c) una vía de paso llamada sistema de vaciado permite el flujo del metal fundido desde fuera del molde hasta la cavidad. El molde cerrado es la forma más importante de producción en operaciones de fundición. El sistema de vaciado en un molde de fundición es el canal o red de canales por donde fluye el metal fundido hacia la cavidad desde el exterior. El sistema de vaciado, consiste típicamente en un bebedero de colada (también llamado simplemente bebedero) a través del cual entra el metal a un canal de alimentación o corredor que conduce a la cavidad principal. En la parte superior del bebedero existe frecuentemente una copa de vaciado para minimizar las salpicaduras y la turbulencia del metal que fluye en el bebedero. En el



diagrama aparece como un simple embudo en forma de cono. Algunas copas de vaciado se diseñan en forma de tazón como en la figura (c) con un canal abierto que conduce al bebedero. En cualquier fundición cuya contracción sea significativa se requiere, además del sistema de vaciado, una mazarota conectada a la cavidad principal. La mazarota es una reserva en el molde que sirve como fuente de metal líquido para compensar la contracción de la fundición durante la solidificación. A fin de que la mazarota cumpla adecuadamente con su función, debe diseñarse de tal forma que solidifique después de la fundición principal. Una vez que la fundición se ha enfriado lo suficiente, se remueve del molde. Pueden necesitarse procesamientos posteriores, dependiendo del método de fundición y del metal que se usa. Entre éstos se encuentran el desbaste del metal excedente de la fundición, la limpieza de la superficie, la inspección del producto y el tratamiento térmico para mejorar sus propiedades. Además, puede requerirse maquinado para lograr tolerancias estrechas en ciertas partes de la pieza y para remover la superficie fundida y microestructura metalúrgica asociada. Imagen 4.1 Dos formas de molde: (a) molde abierto, simplemente un recipiente con la forma de la parte de fundición; (b) molde cerrado, de forma más compleja que requiere un sistema de vaciado (vía de paso) conectado con la cavidad; y c) Sección transversal de un molde en tres partes.



4.3 Modelos de fundición. El modelo es una forma usada para preparar y producir la cavidad en el molde. El diseño debe ser lo más simple que sea posible para facilitar el retiro del molde. El modelo tiene en esencia la forma de la pieza a fundir con formas para bebederos, mazarotas, etc. El modelo puede estar en dos piezas una para la semi-caja superior y la otra para la semi-caja inferior para facilitar la construcción de la cavidad del molde, algunas piezas pueden ser sueltas para que sean removidas por separado y evitar la destrucción del modelo o del molde. La madera es el material que generalmente se usa para fabricar los modelos ya que es sencilla de trabajar y se la encuentra fácilmente, la madera empleada deberá estar casi seca con 5 a 6 % de humedad para evitar que se tuerza o la formación de grietas lo que ocasionaría una distorsión en el molde final. Se usa el modelo en madera cuando se tiene un número discreto de piezas a fabricar, o cuando la pieza es demasiado grande lo cual facilitara el manejo de la misma. Cuando aumenta el numero de piezas es común encontrar modelos de metal hechos de aluminio o magnesio que pueden estar sueltos o empotrados en soportes para modelos, también son muy comunes los modelos de yeso ya que son fáciles de elaborar pero muy quebradizos a la hora fabricar la cavidad. El plástico también juega un papel importante en la fabricación de modelos es un intermedio entre la madera y el metal y puede producir cantidades considerables de moldes.



4.3.1 Tolerancias en el modelo de fundición. El modelo con el cual se fabrica la cavidad del molde debe ser un tanto diferente de la pieza a producir tanto en forma como en dimensiones. Estas diferencias intencionales incorporadas al modelo se llaman tolerancias del modelo. La tolerancia por contracción compensa la disminución de tamaño que experimenta la pieza al solidifican y enfriar. La tabla 1.1 muestra valores para contracción volumétrica para distintos metales. La tolerancia de maquinado es la cantidad que compensa al material que se desperdicia en operaciones de maquinado que darán el acabado final a la pieza. 4.4 Calentamiento y vaciado. Para desarrollar la operación de fundición, el metal se calienta hasta una temperatura ligeramente mayor a su punto de fusión y después se vacía en la cavidad del molde para que se solidifique. En esta sección consideramos varios aspectos de estos dos pasos en la fundición. 4.4.1 Calentamiento del metal Se usan varias clases de hornos, para calentar el metal a la temperatura necesaria. La energía calorífica requerida es la suma de 1) calor para elevar la temperatura hasta el punto de fusión, 2) calor de fusión para convertir el metal sólido a líquido y 3) calor para elevar al metal fundido a la temperatura de vaciado. Esto se puede expresar como:

Donde: ( ) ( )[ ]TmTpCtHfToTmCsVH −++−= ρ

H = Energía calorífica requerida para elevar la temp. del metal a la temp. de fusión, (J) ρ = Densidad, (Kg/m3) Cs = Calor específico del material sólido, (J/Kg ºC) Tm = Temperatura de fusión del metal, (ºC) To = Temperatura inicial, generalmente la ambiente, (ºC); H f = Calor de fusión, (J/Kg) Ct = Calor específico en peso del metal líquido, (J/KgºC) Tp = Temperatura de vaciado, (ºC) V = Volumen del metal que se calienta, (m3). DATOS DE LOS VALORES DE LAS PROPIEDADES DEL ACERO AISI 304 ρ = 7930 Kg/m3



A= 4

2

Dπ;

( ) 10*067.54

40254.02

−

=π

m3

V= LA× ; ( )( ) 100804.610*067.544

2.1 ×−−

==

T = 1455°C Cs= 343.32 J/Kg°C en estado solidó Ct= 297.26 J/Kg°C en estado liquido H f= 167120.85 J/Kg Tp= 1555°C; 100°C mas por encima de su punto de fusión. To= 26°C; temperatura ambiente considerada

( ) ( ) ( )[ ]

JH

H

436.722,314,3

1455155526.29785.16712026145532.343100804.679304

=

−++−

×=

−

La ecuación 1.1 tiene un valor conceptual y su cálculo es de utilidad limitada, no obstante se usa como ejemplo. El cálculo de la ecuación 2.1 es complicado por los siguientes factores: 1) el calor específico y otras propiedades térmicas del metal sólido varían con la temperatura, especialmente si el metal sufre un cambio de fase durante el calentamiento; 2) el calor específico de un metal puede ser diferente en el estado sólido y en estado líquido; 3) la mayoría de los metales de fundición son aleaciones que funden en un intervalo de temperaturas entre sólidos y líquidos en lugar de un punto único de fusión, por lo tanto, el calor de fusión no puede aplicarse tan fácilmente como se indica arriba; 4) en la mayoría de los casos no se dispone de los valores requeridos en la ecuación para una aleación particular y 5) durante el calentamiento hay pérdidas de calor significativas. 4.4.2 Vaciado del metal fundido. Después del calentamiento, el material está listo para vaciarse. La introducción del metal fundido en el molde y su flujo dentro del sistema de vaciado y de la cavidad es un paso crítico en el proceso. Para que este paso tenga éxito, el metal debe fluir antes de solidificarse a través de todas las regiones del molde, incluida la región más importante que es la cavidad principal. Los factores que afectan la operación de vaciado son la temperatura de vaciado, la velocidad de vaciado y la turbulencia.



La temperatura de vaciado es la temperatura del metal fundido al momento de su introducción en el molde. Lo importante aquí es la diferencia entre la temperatura de vaciado y la temperatura a la que empieza la solidificación (el punto de fusión para un metal puro, o la temperatura líquidas para una aleación). A esta diferencia de temperaturas se le llama algunas veces sobrecalentamiento. La velocidad de vaciado es el caudal con que se vierte el metal fundido dentro del molde. Si la velocidad es muy lenta, el metal puede enfriarse antes de llenar la cavidad. Si la velocidad de vaciado es excesiva provoca turbulencia y puede convertirse en un problema serio. La turbulencia de flujo se caracteriza por variaciones erráticas de la velocidad del fluido; cuando éste se agita, genera corrientes irregulares en lugar de fluir en forma laminar. El flujo turbulento debe evitarse durante el vaciado por varias razones. Tiende a acelerar la formación de óxidos metálicos que pueden quedar atrapados durante la solidificación, degradando así la calidad de la fundición. La turbulencia provoca una erosión excesiva del molde, que es el desgaste gradual de las superficies del molde debido al impacto del flujo de metal fundido. La erosión es especialmente seria cuando ocurre en la cavidad principal porque afecta la forma de la parte fundida. 4.5 Análisis ingenieril del vaciado. Varias relaciones gobiernan el flujo del metal líquido a través del sistema de vaciado y dentro del molde. Una relación importante es el teorema de Bernoulli, el cual establece que la suma de las energías (altura, presión dinámica, energía cinética y fricción) en dos puntos cualquiera de un líquido que fluye es igual. Esto se puede escribir en la siguiente forma: TEOREMA DE BERNOULLI

FvgP

hFvgP

h gg 21

2

221

2

11 2

2

2

1−

+++=+++

ρρ;

Donde: h = Altura, (m) P = Presión en el líquido, (N/m2) r = Densidad, (Kg/m3) v = Velocidad de flujo en (m/seg.) g = Constante de la aceleración gravitacional, (9.81 m/seg2); F = Pérdidas de carga debidas a la fricción, (metros). Los subíndices 1 y 2 indican los dos puntos cualesquiera en el flujo del líquido. La ecuación de Bernoulli se puede simplificar de varias maneras. Si ignoramos las pérdidas por fricción (de seguro, la fricción afectará el flujo del líquido a través del molde



de arena) y asumimos que el sistema permanece a presión atmosférica en toda su extensión, entonces la ecuación puede reducirse a:

ggvhvh 22

2

22

2

11

+=+

La cual puede usarse para determinar la velocidad del metal fundido en la base del bebedero de colada. Definamos un punto (1) en la parte superior del bebedero y un punto (2) en la base. Si el punto (2) se usa como referencia, entonces la altura en ese punto es cero (h2 = 0) y h1 es la altura (longitud) del bebedero. Cuando se vierte el metal en la copa de vaciado y fluye hacia abajo, su velocidad inicial en la parte superior es cero (v1 = 0). Entonces la ecuación se simplifica a

4.5.1 Ley de la continuidad durante el vaciado. Otra relación de importancia durante el vaciado es la ley de continuidad, la cual establece que la velocidad volumétrica del flujo permanece constante a través del líquido. La velocidad del flujo volumétrico m3/seg. es igual a la velocidad multiplicada por el área de la sección transversal del flujo líquido. La ley de continuidad puede expresarse como:

Donde: Q = Velocidad de flujo volumétrico, (m3/seg.); v = Velocidad, (m/seg.); A = Área de la sección transversal del líquido, (m2) Los subíndices se refieren a cualquiera de los dos puntos en el sistema de flujo. Entonces, un incremento en el área produce un decremento en la velocidad y viceversa.

gvh 2

2

11

=

ghv 2=

( )( )10.081.92=v

smv /387.1=

AvAvQ2211

==



Las ecuaciones indican que el bebedero debe ser ahusado. El área de la sección transversal del canal debe reducirse conforme el metal se acelera durante su descenso en el bebedero de colada; de otra manera, puede aspirar aire dentro del líquido debido al incremento de la velocidad del metal que fluye hacia la base del bebedero y conducirlo a la cavidad del molde. Para prevenir esta condición, se diseña el bebedero con un ahusamiento de manera que la velocidad volumétrica de flujo vA sea misma en la parte superior y en el fondo del bebedero. Si aceptamos que el canal alimentador de la base del bebedero a la cavidad del molde sea horizontal (y por tanto que la altura sea la misma que la de la base del bebedero), la velocidad volumétrica de flujo a través del sistema de vaciado y dentro de al cavidad del molde permanece igual a vA en la base. Por consiguiente, podemos estimar el tiempo requerido para llenar una cavidad de volumen V como sigue. 4.5.2 Tiempo requerido para llenar una cavidad (v).

VOLUMEN DEL MOLDE

( )( ) mLAV344

100804.610*067.5 2.1 ×−−

==×=

( )10327.1

0130.0 4

22

44 ×−

===ππ DA

( )( )387.110327.14

×−

=Q

segQ m /34

108409.1 ×−

=

Q

VMFT =

108409.1100804.6

4

4

××

−

−

=MFT



CONSIDERANDO LA CONTRACCIÓN DEL ACERO Los modelistas toman en cuenta la contracción por solidificación para sobredimensionar las cavidades de los moldes. Este porcentaje varia dependiendo del tipo de material a fundir.

Imagen 4.2 Tabla de contracción volumétrica de algunos metales.

Considerando la contracción térmica de la fundición de acero tenemos: Un aumento del 7.2% del volumen de la cavidad del molde.

Los 3.55 segundos es el tiempo mínimo que debe considerarse al vaciar el metal fundido. debido a que el análisis ignora las pérdidas por fricción y la posible constracción del flujo en el sistema de vaciado; por tanto, el tiempo de llenado del molde será mayor que el resultante de la ecuación. 4.6 Fluidez. Las características del metal fundido se describen frecuentemente con el término fluidez, una medida de la capacidad del metal par llenar el molde antes de enfriar. Existen métodos normales de ensayo para valorar la fluidez, como el molde espiral de prueba

segMFT 3.3=

108409.110377.4100804.6

4

54

×××

−

−−+

=MFT

segMFT 55.3=



que se muestra en la figura 1.2, donde la fluidez se mide por la longitud del metal solidificado en el canal espiral. A mayor longitud, mayor fluidez del metal fundido. Los factores que afectan la fluidez son la temperatura de vaciado, la composición del metal, la viscosidad del metal líquido y el calor transferido de los alrededores. Una temperatura mayor, con respecto al punto de solidificación del metal, incrementa el tiempo que el metal permanece en estado líquido permitiéndole avanzar más, antes de solidificarse. Esto tiende a agravar ciertos problemas como la formación de óxido, la porosidad gaseosa y la penetración del metal líquido en los espacios intersticiales entre los gramos de arena que componen el molde. Este último problema causa que la superficie de la fundición incorpore partículas de arena que la hacen más rugosa y abrasiva de lo normal.

Imagen 4.3 Molde espiral para ensayo de la fluidez, ésta se mide por la longitud del

canal espiral lleno antes de la solidificación 4.7 Solidificación y enfriamiento.

Después de vaciar el metal fundido en el molde, éste se enfría y solidifica. En esta sección examinaremos los mecanismos físicos de solidificación que ocurren durante la fundición. Los aspectos asociados con la solidificación incluyen el tiempo de enfriamiento del metal, la contracción, la solidificación direccional y el diseño de las mazarotas. 4.7.1 Solidificación de los metales. La solidificación involucra el regreso del metal fundido al estado sólido. El proceso de solidificación difiere, dependiendo de si el metal es un elemento puro o una aleación. Metales puros. Un metal puro solidifica a una temperatura constante que constituye su punto de congelación o punto de fusión. Los puntos de fusión de los metales puros son bien conocidos. El proceso ocurre en un tiempo determinado como se muestra en la figura 1.3, conocida como curva de enfriamiento. La solidificación real toma un tiempo llamado, tiempo local de solidificación, durante el cual el calor latente de fusión del metal



escapa fuera del molde. El tiempo total de solidificación va desde el momento de vaciar el metal hasta su completa solidificación. Después que la fundición se ha solidificado completamente, el enfriamiento continúa a una velocidad indicada por la pendiente hacia debajo de la curva de enfriamiento. Debido a la acción refrigerante de la pared del molde, se forma una delgada película inicial de metal sólido en la pared inmediatamente después del vaciado. El espesor de esta película aumenta para formar una costra alrededor del metal fundido que va creciendo hacia el centro de la cavidad conforme progresa la solidificación. La velocidad del enfriamiento depende del calor que se transfiere en el molde y de las propiedades térmicas del metal.

Imagen 4.4 Curva de enfriamiento para un metal puro durante la fundición. Es interesante examinar la formación del grano metálico y su crecimiento durante este proceso de solidificación. El metal que forma la película inicial se ha enfriado rápidamente por la extracción de calor a través de la pared del molde. Esta acción de enfriamiento causa que los granos de la película sean finos, equiaxiales y orientados aleatoriamente. Al continuar el enfriamiento se forman más granos y el crecimiento ocurre en direcciones alejadas de la transferencia de calor. Como el calor se transfiere a través de la costra y la pared del molde, los granos crecen hacia adentro como agujas o espinas de metal sólido. Al agrandarse estas espinas se forman ramas laterales que siguen creciendo y forman ramas adicionales en ángulos rectos con las primeras. Este tipo de crecimiento llamado crecimiento dendrítico del grano ocurre no solamente en la solidificación de los metales puros, sino también en la de las aleaciones. Estas estructuras tipo árbol se llevan a cabo en forma gradual durante el enfriamiento, al depositarse continuamente metal adicional en las dendritas hasta completar la solidificación. Los granos resultantes de este crecimiento dendrítico adoptan una orientación preferente y tienden a ser burdos y alinearse en forma de granos columnares hacia el centro de la fundición. La estructura granulada resultante se ilustra en la figura



Imagen 4.5 Estructura cristalina característica del un metal puro, mostrando los granos, pequeños orientados aleatoriamente cerca de las paredes del molde, y los granos

columnares grandes orientados hacia el centro de la fundición

Imagen 4.6 (a) Diagrama de fase para un sistema, de aleación cobre-níquel y (b) curva de enfriamiento asociada para una composición Ni-Cu 50-50% durante la fundición. Aleaciones en general. Las aleaciones solidifican generalmente en un intervalo de temperaturas en lugar de una temperatura única. El rango exacto depende de la aleación y su composición particular. Se puede explicar la solidificación de una aleación con referencia a la figura 1.5, que muestra el diagrama de fase de una aleación en particular y a la curva de enfriamiento para una composición dada. Conforme desciende la temperatura, empieza la solidificación en la temperatura que indica la línea liquidus y se completa cuando se alcanza la solidus. El inicio de la solidificación es similar a la del metal puro. Se forma una delgada película en la pared del molde debido a un alto gradiente de temperatura en esta superficie. La solidificación continúa como para un metal puro, mediante la formación de dendritas alejadas de las paredes. Sin embargo, debido a la propagación de la temperatura entre liquidus y solidus, el crecimiento de las dendritas es tal que se forma una zona avanzada donde el metal sólido y el líquido coexisten. La porción sólida está constituida por estructuras dendríticas que se han formado lo suficiente y han atrapado en



la matriz pequeñas islas de líquido. La región sólido-líquido tiene una consistencia suave que da lugar a su nombre de zona blanda. Dependiendo de las condiciones del enfriamiento, la zona blanda puede ser relativamente angosta o puede ocupar la mayor parte de la fundición. Los factores que promueven la última condición son una lenta transferencia de calor fuera del metal caliente y una amplia diferencia entre liquidus y solidus. Las islas de líquido en la matriz de dendrita se solidifican gradualmente al bajar la temperatura de la fundición hasta la temperatura solidus que corresponde a la composición de la aleación. Otro factor que complica la solidificación de las aleaciones es la composición de las dendritas que al iniciar su formación son favorecidas por el metal que tiene el punto de fusión mayor. Al continuar la solidificación las dendritas crecen y se genera un desbalance entre la composición del metal solidificado y el metal fundido remanente. Este desbalance de composición se manifiesta finalmente como segregación de elementos en las fundiciones terminadas. La segregación es de dos tipos, microscópica y macroscópica. A nivel microscópico, la composición química varía a través de cada grano individual. Esto se debe a que la espina inicial de cada dendrita tiene una proporción más alta de uno de los elementos de la aleación La dendrita crece a expensas del líquido remanente que ha sido parcialmente agotado de este primer elemento. Finalmente, el último metal que solidifica en cada grano es el que quedó atrapado en las ramas de las dendritas, cuya composición es aún más desbalanceada. El resultado es una variación en composición química dentro de cada grano de la fundición.

Imagen 4.7 Estructura cristalina característica de fundición para una aleación, mostrando la segregación de los componentes en el centro de la fundición.

A nivel macroscópico, la composición química varía a través de la fundición. Como las regiones de la fundición que se solidifica primero (generalmente cerca de las paredes del molde) son más ricas en un componente que en otro, la composición de la aleación fundida remanente queda modificada cuando ocurre la solidificación en el interior. Se genera entonces, una segregación general a través de la sección transversal de la fundición, llamada algunas veces segregación de lingote como se muestra en la figura superior. Aleaciones eutécticas. Las aleaciones eutécticas constituyen una excepción del proceso general de solidificación de las aleaciones. Una aleación eutéctica tiene una composición particular en la cual las temperaturas sólidus y líquidus son iguales. En consecuencia, la solidificación ocurre a una temperatura constante, y no en un rango de temperaturas como se describió para un



metal puro, el hierro fundido (4.3ºC) son ejemplos de aleaciones eutécticas que se usan en fundición. 4.7.2 Tiempo de solidificación Si la fundición es metal puro o aleación, de todos modos, su solidificación toma tiempo. El tiempo total de solidificación es el tiempo necesario para que la fundición solidifique después del vaciado. Este tiempo depende del tamaño y de la forma de la fundición expresada por una relación empírica conocida como regla de Chvorinov que establece:

Donde: TST= Tiempo de solidificación total, min; V =Volumen de fundición, (m3); A =Área superficial de la fundición, (m2); n =Exponente que toma usualmente un valor de 2; Cm =Es la constante del molde. Dado que n = 2, las unidades de Cm son (min/m2), su valor depende de las condiciones particulares de la operación de fundición, entre las cuales se incluyen el material del molde (calor específico y conductividad térmica), propiedades térmicas del metal de fundición (calor de fusión, calor específico y conductividad térmica), y la temperatura relativa de vaciado con respecto al punto de fusión del metal. El valor de Cm para una operación dada se puede basar en datos experimentales de operaciones previas con el mismo material de molde, metal y temperatura de vaciado, incluso cuando la forma de la parte haya sido bastante diferente. La regla de Chvorinov indica que una fundición con una relación de volumen a área superficial se enfriará y solidificará más lentamente que otra con una relación más baja. Este principio ayuda en el diseño de la mazarota del molde. Para cumplir su función de alimentar metal fundido a al cavidad principal, el metal en la mazarota debe permanecer en fase líquida más tiempo que el de la fundición. En otras palabras, la TST para la mazarota debe exceder la TST de la fundición principal. Como la condición del molde para la mazarota y la fundición es la misma, las constantes del molde serán iguales. Si el diseño de la mazarota incluye una relación de volumen a área más grande, podemos estar más o menos seguros de que la fundición principal solidificará primero y se reducirán los efectos de la contracción. Antes de considerar el diseño de la mazarota mediante la regla de Chvorinov tomemos en cuenta el tema de la contracción, razón por la cual se necesitan las mazarotas.

n

A

VCmTST

=



4.8 Contracción. Nuestro análisis de la solidificación ha omitido el impacto de la contracción que ocurre durante el enfriamiento y la solidificación. La contracción ocurre en tres pasos: 1) contracción líquida durante el enfriamiento anterior a la solidificación; 2) contracción durante el cambio de fase de líquido a sólido, llamada contracción de solidificación, y 3) contracción térmica de la fundición solidificada durante el enfriamiento hasta la temperatura ambiente. Los tres pasos pueden explicarse con referencia a una fundición cilíndrica hipotética hecha en un molde abierto, como se muestra en la figura 1.7. El metal fundido inmediatamente después de vaciado se muestra en la parte (0) de la serie. La contracción del metal líquido durante el enfriamiento, desde la temperatura de vaciado hasta la temperatura de solidificación, causa que la altura del líquido se reduzca desde el nivel inicial como en (1) de la Fig. La cantidad de esta concentración líquida es generalmente alrededor del 0.5%. La contracción de solidificación que se observa en la parte (2) tiene dos efectos. Primero, la contracción causa una reducción posterior en la altura de la fundición. Segundo, la cantidad de metal líquido disponible para alimentar la porción superior del centro de la fundición se restringe. Ésta es usualmente la última región en solidificar; la ausencia de metal crea un vacío en este lugar de la fundición. Esta cavidad de encogimiento es llamada por los fundidores rechupe. Una vez solidificada, la fundición experimenta una contracción posterior en altura y diámetro mientras se enfría como en (3). Esta contracción se determina por el coeficiente de expansión térmica del metal sólido, que en este caso se aplica a la inversa para determinar la contracción.



Imagen 4.8 Contracción de una fundición cilíndrica durante la solidificación y enfriamiento: (0) niveles iniciales del metal fundido inmediatamente después del vaciado; (1) reducción del nivel causada por la contracción del líquido durante el enfriamiento; (2) reducción de la altura y formación de la bolsa de contracción causada por la contracción por solidificación; y (3) reducción posterior de la altura y diámetro debida a la contracción térmica durante el enfriado del metal sólido. Las reducciones están exageradas para mayor claridad. La Tabla (presentada en la página siguiente), presenta algunos valores típicos de la contracción volumétrica para diferentes metales de fundición debidos a la contracción por solidificación y a la contracción sólida paso (2) y (3). La contracción por solidificación ocurre casi en todos los metales porque la fase sólida tiene una mayor densidad que la fase líquida. La transformación de fase que acompaña la solidificación causa una reducción en el volumen por unidad de peso del metal. La excepción en la tabla 1.1 es el hierro fundido con un contenido alto de carbono, cuya solidificación se complica por un período de grafitación durante las etapas finales de enfriamiento, que provoca una



expansión tendiente a contrarrestar el crecimiento volumétrico asociado con el cambio de fase. Contracción volumétrica para diferentes metales de fundición debida a la contracción por solidificación y contracción del sólido.

Imagen 4.9 Tabla contracción térmica de metales.

Los modelistas toman en cuenta la contracción por solidificación para sobredimensionar las cavidades de los moldes. La cantidad que hay que aumentar a las dimensiones del molde con respecto al tamaño de la pieza final se llama tolerancia de contracción del modelo. Aunque la contracción es volumétrica, las dimensiones de la fundición se expresan linealmente. Para hacer los modelos y los moldes más grandes que la pieza, se usan reglas especiales de contracción que consideran una ligera elongación en proporción adecuada. Estas reglas varían en elongación desde menos de 3 mm. a 16 mm. por cada 300 mm. de longitud con respecto a una regla normal, dependiendo del metal a fundir. 4.9 Solidificación direccional. Para minimizar los efectos dañinos de la contracción es conveniente que las regiones de la fundición más distantes de la fuente de metal líquido se solidifiquen primero y que la solidificación progrese de estas regiones hacia la mazarota. En esta forma, el metal fundido continuará disponible en las mazarotas para prevenir los vacíos de contracción durante la solidificación. Se usa el término - solidificación direccional para describir este aspecto del proceso de solidificación y sus métodos de control La solidificación direccional deseada se logra aplicando la regla de Chvorinov al diseño de la fundición, a su orientación dentro del molde y al diseño del sistema de mazarotas. Por ejemplo, al localizar las secciones de la fundición con menores relaciones V/A lejos de las mazarotas la solidificación aparecerá primero en estas regiones y el suministro de metal líquido para el resto de la fundición permanecerá abierto hasta que solidifiquen las secciones más voluminosas. Otra forma de fomentar la solidificación direccional es usar enfriadores sumideros de calor internos o externos que causan un, enfriamiento rápido en ciertas regiones de la fundición, Los enfriadores internos son pequeñas partes de metal colocadas dentro de la



cavidad antes del vaciado, cuyo objetivo es que el metal fundido solidifiqué primero alrededor de estas partes. El refrigerante interno debe tener una composición química igual a la del metal que se vacía. Esto se logra fabricando el enfriador del mismo metal que la fundición.

Imagen 4.10 Enfriadores externos para alentar la solidificación rápida del metal fundido en una zona delgada de la fundición y (b) resultado probable si no se usan los enfriadores. Los enfriadores externos son insertos metálicos en las paredes de la cavidad del molde que remueven el calor del metal fundido más rápidamente que la arena circundante, a fin de promover solidificación. Se usan a menudo en secciones de la fundición que son difíciles de alimentar con metal líquido, el cual encuentra así un enfriamiento rápido que lo hace solidificar en estas secciones mientras la conexión con el metal líquido está todavía abierta. La figura 1.8 ilustra una posible aplicación de refrigerantes externos y el resultado probable si no se usaran.

4.10 Procesos de fundición de metales. Los procesos de fundición del metal se dividen en dos categorías de acuerdo al tipo de moldes 1) moldes desechables y 2) moldes permanentes. En las operaciones de fundición con molde desechable, éste se destruye para remover la parte fundida, como se requiere un nuevo molde por cada nueva fundición, las velocidades de producción son limitadas, ya que se requiere mas tiempo para hacer el molde que para la fundición en si, sin embargo, para ciertas partes se pueden producir moldes y fundiciones a velocidades de 400 partes por hora o mayores. En los procesos de moldeo permanente, el molde se fabrica con metal (u otro material durable) que permite usarlos en repetidas operaciones de fundición. En consecuencia, estos procesos tienen una ventaja natural para mayores velocidades de producción.



4.10.1 Fundición en arena. La fundición en arena es el proceso más utilizado, la producción por medio de este método representa la mayor parte del tonelaje total de fundición. Casi todas las aleaciones pueden fundirse en arena; de hecho, es uno de los pocos procesos que pueden usarse para metales con altas temperaturas de fusión, como son el acero, el níquel y el titanio. Su versatilidad permite fundir partes muy pequeñas o muy grandes (véase la figura 1.9) y en cantidades de producción que van de una pieza a millones de éstas.

Imagen 4.11 Fundición en arena para el cuerpo de un compresor con un peso de 680 Kg (Cortesía de Elkhart Foundry, Foto por Paragon Inc. Elkhart Indiana).

La fundición en arena consiste en vaciar el metal fundido a un molde de arena, dejarlo solidificar y romper después el molde para remover la fundición. Posteriormente la fundición pasa por un proceso de limpieza e inspección, pero en ocasiones requiere un tratamiento térmico para mejorar sus propiedades metalúrgicas. En esta breve descripción se puede observar que la fundición en arena no solamente incluye operaciones de fundición, sino también la fabricación de modelos y manufactura de moldes. La secuenciase muestra en la figura 1.10.

Imagen 4.12 Pasos en la secuencia de producción de la fundición en arena. Los pasos incluyen no solamente las operaciones de fundición si no también la manufactura del

modelo y del molde.



4.11 Modelos y corazones La fundición en arena requiere un patrón o modelo al tamaño de la parte, ligeramente agrandado, tomando en consideración la contracción y las tolerancias para el maquinado de la pieza final. Los materiales que se usan para hacer estos modelos incluyen la madera, los plásticos y los metales. La madera es un material común para modelos, por la facilidad de trabajarla y darle forma. Sus desventajas son la tendencia a la torsión y al desgaste por la abrasión de la arena que se compacta a su alrededor, lo cual limita el número de veces que puede usarse. Los modelos de metal son más costosos pero duran más. Los plásticos representan un término medio entre la madera y los metales. La selección del material apropiado para patrones o modelos depende en gran parte de la cantidad total de piezas a producir. Hay varios tipos de modelos, como se ilustra en la figura 1.11. El más simple está hecho de una pieza, llamado modelo sólido, que tiene la misma forma de la fundición y los ajustes en tamaño por contracción y maquinado. Su manufactura es fácil, pero la complicación surge cuando se utiliza para hacer el molde de arena. Determinar la localización del plano de separación entre las dos mitades del molde e incorporar el sistema de vaciado y el vertedero de colada para un modelo sólido, puede ser un problema que se dejará al juicio y habilidad del operario del taller de fundición. Por tanto, los modelos sólidos se usan solamente en producciones de muy baja cantidad. Los modelos divididos constan de dos piezas que separan la pieza a lo largo de un plano, éste coincide con el plano de separación del molde. Los modelos divididos son apropiados para partes de forma compleja y cantidades moderadas de producción. El plano de separación del molde queda predeterminado por las dos mitades del molde, más que por el juicio del operador. Para altos volúmenes de producción se emplean los modelos con placa de acoplamiento o los modelos de doble placa (superior e inferior). En un modelo con placa de acoplamiento, las dos piezas del modelo dividido se adhieren a los lados opuestos de una placa de madera o metal. Los agujeros de la placa permiten una alineación precisa entre la parte superior y el fondo (copy y drag) del molde. Los modelos con doble placa de acoplamiento son similares a los patrones con una placa, excepto que las mitades del patrón dividido se pegan a placas separadas, de manera que las secciones de la parte superior e inferior del molde se puedan fabricar independientemente, en lugar de usar la misma herramienta para ambas.



Imagen 4.13 Tipos de patrones utilizados en la fundición en arena: a) modelo sólido, b)

modelo dividido, c) modelo con placa de acoplamiento.

Los patrones definen la forma externa de la fundición. Si posee superficies internas, se necesita un corazón para definirlas. Un corazón es un modelo de tamaño natural de las superficies interiores de la parte. El corazón se inserta en la cavidad del molde antes del vaciado, para que al fluir el metal fundido, solidifique entre la cavidad del molde y el corazón, formando así las superficies externas e internas de la fundición. El corazón se hace generalmente de arena compactada. El tamaño real del corazón debe incluir las tolerancias para contracción y maquinado lo mismo que el patrón. El corazón, dependiendo de la forma, puede o no requerir soportes que lo mantengan en posición en la cavidad del molde durante el vaciado. Estos soportes, llamados sujetadores, se hacen de un metal cuya temperatura de fusión sea mayor que la de la pieza a fundir. Por ejemplo, para fundiciones de hierro colado se usan sujetadores de acero. Los sujetadores quedan atrapados en la fundición durante el vaciado y la solidificación. En la figura se muestra un posible arreglo del corazón usando sujetadores. La porción de los sujetadores que sobresalen de la fundición se recortan después.



Imagen 4.14 (a) corazón mantenido en su lugar dentro de la cavidad del molde por sujetadores (b) Diseño posible del sujetador (c) Fundición con cavidad interna (d)

manufactura del corazón.

4.12 Moldes y fabricación de moldes. El molde es una cavidad que tiene la forma geométrica de la pieza que se va fundir. La arena de fundición es sílice (Si02) o sílice mezclada con otros minerales. Esta arena debe tener buenas propiedades refractarias, expresadas como la capacidad de resistir altas temperaturas sin fundirse o degradarse. Otras características importantes son: el tamaño del grano, la distribución de tamaños del grano en la mezcla y la forma de los granos. Los granos pequeños proporcionan mejor acabado superficial en la fundición, pero los granos grandes son más permeables, para que los gases escapen durante el vaciado. Los moldes hechos de granos irregulares tienden a ser más fuertes que los moldes de granos redondos debido al entrelazado de los granos, pero esto tiende a restringir la permeabilidad. En la fabricación del molde, los granos de arena se aglutinan por medio de una mezcla de agua y arcilla. La proporción típica (en volumen) es 90% de arena, 3% de agua y 7% de arcilla. Se pueden usar otros agentes aglutinantes en lugar de la arcilla, como resinas orgánicas (por ejemplo resinas fenólicas) y aglutinantes inorgánicos (por ejemplo, silicato y fosfato de sodio). Algunas veces se añaden a la mezcla de arena y aglutinante ciertos aditivos para mejorar las propiedades del molde como la resistencia y permeabilidad. En el método tradicional para formar la cavidad del molde se compacta la arena alrededor del modelo en la parte superior e inferior de un recipiente llamado caja de moldeo. El proceso de empaque se realiza por varios métodos. El más simple es el apisonado a mano realizado manualmente por un operario. Además, se han desarrollado varias máquinas para mecanizar el procedimiento de empacado, las cuales operan por medio de los siguientes mecanismos: 1) compactación de la arena alrededor del patrón o modelo mediante presión neumática; 2) acción de sacudimiento, dejando caer repetidamente la arena contenida en la caja junto al modelo, a fin de compactarla en su lugar; y



3) lanzamiento, haciendo que los granos de arena se impacten contra el patrón a alta velocidad. Una alternativa a las cajas tradicionales para moldes de arena es el moldeo sin caja, que consiste en el uso de una caja maestra en un sistema mecanizado de producción de moldes. Cada molde de arena se produce usando la misma caja maestra. Se estima que la producción por este método automatizado puede ascender hasta seiscientos moldes por hora. Se usan varios indicadores para determinar la calidad de la arena para el molde: 1) resistencia, capacidad del molde para mantener su forma y soportar la erosión causada por el flujo del metal líquido, depende del tamaño del grano, las cualidades adhesivas del aglutinante y otros factores; 2) permeabilidad, capacidad del molde para permitir que el aire caliente y los gases de fundición pasen a través de los poros de la arena; 3) estabilidad térmica, capacidad de la arena en la superficie de la cavidad del molde para resistir el agrietamiento y encorvamiento en contacto con el metal fundido; 4) retractibilidad, capacidad del molde para dejar que la fundición se contraiga sin agrietarse; también se refiere a la capacidad de remover la arena de la fundición durante su limpieza; y 5) reutilización, ¿puede reciclarse la arena del molde roto para hacer otros moldes?. Estas medidas son algunas veces incompatibles, por ejemplo, un molde con una gran resistencia tiene menos capacidad de contracción. Los moldes de arena se clasifican frecuentemente como arena verde, arena seca o de capa seca. Los moldes de arena verde se hacen de una mezcla de arena, arcilla y agua, el término "verde" se refiere al hecho de que el molde contiene humedad al momento del vaciado. Los moldes de arena verde tienen suficiente resistencia en la mayoría de sus aplicaciones, así como buena retractibilidad, permeabilidad y reutilización, también son los menos costosos. Por consiguiente, son los más ampliamente usados, aunque también tienen sus desventajas. La humedad en la arena puede causar defectos en algunas fundiciones, dependiendo del metal y de la forma geométrica de la pieza. Un molde de arena seca se fabrica con aglomerantes orgánicos en lugar de arcilla. El molde se cuece en una estufa grande a temperaturas que fluctúan entre 204 ºC y 316 ºC. El cocido en estufa refuerza el molde y endurece la superficie de la cavidad. El molde de arena seca proporciona un mejor control dimensional en la fundición que los moldes de arena verde. Sin embargo, el molde de arena seca es más costoso y la velocidad de producción es reducida debido al tiempo de secado. Sus aplicaciones se limitan generalmente a fundiciones de tamaño medio y grande y en velocidades de producción bajas. En los moldes de capa seca, la superficie de la cavidad de un molde de arena verde se seca a una profundidad entre 10 mm y 25 mm, usando sopletes, lámparas de calentamiento u otros medios, aprovechando parcialmente las ventajas del molde de arena seca. Se pueden añadir materiales adhesivos especiales a la mezcla de arena para reforzar la superficie de la cavidad. A continuación se muestra una serie de fotografías que describen el proceso de fundición en molde de arena



Imagen 4.15 Ejemplo de pasos en la producción de una pieza de fundición.



Conclusión.

En este proyecto pudimos darnos cuenta las dificultades que se presentan a la hora de llevar una simple idea a la realidad, nos encontramos con todo tipo de problemas como son la dificultad de encontrar el material necesitado para nuestro aro, y el maquinado del mismo, así como el lugar para el corte por pantógrafo de nuestro centro-brazos. Otro problema y quizás el mas difícil de todos fue el aspecto económico ya que como todo en esta vida, nuestro proyecto tuvo un precio.

Pudimos entender la gran importancia de cada una de las materias que nosotros cursamos a lo largo de la carrera, nos dimos cuenta de la manera en la que cada una de ellas juega un papel importantísimo a la hora de llevar a cabo un trabajo como el que se desarrollo en los últimos semestres dentro de la carrera de Ingeniería Mecánica.

Conseguimos lograr el objetivo que fue la fabricación de nuestro volante con un costo razonablemente bajo (1000 pesos aproximadamente) en comparación con los de la competencia, volantes fabricados en los Estados Unidos cuyo costo rondaba los 250 USD.



Glosario.

Estructura: Es un conjunto de elementos con forma geométrica que, unidos por medio

de nodos, soportan cargas que son transmitidas a sus apoyos a través de los elementos

estructurales que la integran.

Momento torsionante (T): Es un momento interno que actúa paralelo o tangencialmente

a la sección transversal, asociándole un efecto de torsión al eje longitudinal del elemento

estructural.

Capacidad de carga: Es la particularidad que tiene un material para soportar cierta

cantidad de carga.

Resistencia: Es la particularidad que tiene un material para soportar cierta cantidad de

esfuerzo.

Rigidez: Es la particularidad que tiene un material para soportar cierta cantidad de

deformación.

Elasticidad: Es la propiedad que tienen los materiales para recuperar su estado original al

desaparecer la carga deformadora.

Ductilidad: Es una propiedad de los materiales para deformarse antes de que se presente

la falla.

Módulo de elasticidad: Es la relación que existe entre el esfuerzo a la deformación

unitaria; también se le conoce como la constante de proporcionalidad en el contexto de la

Ley de Hooke.

Deformación unitaria: Es la relación que existe entre la deformación total a la longitud

original de un elemento.

Relación de Poisson: Es la relación que existe entre la deformación unitaria longitudinal

a la deformación unitaria transversal



Fragilidad: Propiedad en los materiales que no soportan cargas de impacto.

Esfuerzo normal: Es la acción de una fuerza interna sobre una unidad de superficie

Esfuerzo permisible. Es el esfuerzo máximo que se toma como referencia en el proceso

del diseño de un elemento estructural.

Esfuerzo de trabajo: Es el esfuerzo al que está sometido un elemento estructural.

Factor de seguridad: Es un número tal, que está condicionado por la calidad del

material, por la duración del material, por los procedimientos constructivos, por las

cargas que se generan en la estructura durante el proceso de construcción, por el límite

elástico de los materiales, por el uso de la estructura, etcétera.

Falla: Es una condición particular en una estructura o parte de ella que no cumple para el

fin que fue diseñada.

Falla por deformación. Se presenta en un material cuando es sometido a un esfuerzo que

genera una deformación excesiva (elástica o plástica) la que impide el funcionamiento

correcto de la estructura.

Falla por fractura. Se caracteriza porque el material se colapsa bajo cargas.

Falla por excesiva deformación. Se presenta cuando el material es sometido a la acción

de cargas durante un tiempo prolongado en forma constante.

Falla por carga de impacto. Se presenta cuando la estructura se somete a una carga que

se aplica súbitamente.

Cargas vivas: Son aquellas que no son permanentes; es decir actúan por un tiempo

determinado.

Cargas muertas: Están representadas por el peso propio de los elementos estructurales.

Cargas accidentales: Son aquellas que actúan inesperadamente.



Cargas activas: Son las cargas externas que actúan sobre el elemento estructura.

Apoyo: Es un elemento de unión entre la estructura y el sistema tierra, con el propósito

de evitar los desplazamientos lineales y el angular.

Punto de inflexión: Es asociado al punto cuando el momento flexionante pasa por cero;

también se le identifica como punto de transición.



Referencias.

Universidad Pública de Navarra, Departamento de Ingeniería Mecánica. Apuntes de la asignatura elementos de maquinas.

Timoshenko, S.P. y Godier J.N., Theory of elasticity, McGraw-Hill, 1951.

Monleón Cremades, S., Análisis de vigas, arcos, placas y láminas, Ed. UPV, 1999.

Kollbruner, C.F. & Basler, K., Torsión in structures, an engineering approach, Springer, 1969.

DAVIS, Harmer E. Y TROXELL, George E. Ensaye de los materiales en ingeniería: 7 ED. México: C.E.C.S.A. 1979. 477 p.

BEER, Ferdinand P. y JOHNSTON, E. Russell. Mecánica de materiales. 2 ed. México: McGraw Hill, 1999. 742 p. ISBN 958-600-127-X

www.monografias.com

www.rincondelvago.com

www.yahoo.com.mx

www.google.com.mx

www.winkipedia.com.mx

www.maneklaexports.com

www.elkhartfoundry.com

instituto politécnico nacional....los volantes de dirección se diseñan ergonómicamente. sin...

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