Diseño de Piezas Inyectadas a Presión

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONALFACULTAD REGIONAL GRAL. PACHECO Departamento de Ingeniería Mecánica. Cátedra: Diseño Mecánico. Profesor Titular: Ing. J uan A. Fructuoso. J efe T. P.: Ing. Alfredo Ramos. Curso: 3° año de Ingeniería Mecánica. TEMA: DISEÑO DE PIEZAS INYECTADAS A PRESION Bibliografía consultada: 1) Manuales de diseño de Dynacast Las notas presentes fueron elaboradas por el Ing. Juan A. Fructuoso, junto con la colaboración del Ing. Alfredo Ramos durante el año 2008, las mismas son publicadas para servir de guía de estudio a los alumnos. Ing. Juan A. Fructuoso, Noviembre de 2008. U T N i a n o s . c o m . a r U.T.N. – F.R.G.P. DISEÑO DE PIEZAS INYECTADAS A PRESION Ing. Juan A. Fructuoso DISEÑO MECANICO 2008 2 de 40 INDICE 1 Introducción................................................................................................................................4 1.1 Ventajas de las piezas fundidas a presión: ...........................................................................4 1.2 Ventajas y mitos...................................................................................................................4 1.3 Ventajas de la fundición a presión.......................................................................................4 1.4 Mitos.....................................................................................................................................5 1.5 Comparación del proceso de fundición a presión con otros procesos..................................6 2 Procesos de fundición a presión..................................................................................................6 2.1 Fundición a presión en cámara fría......................................................................................7 2.1.1 Secuencia de operación del proceso de fundición a presión en cámara fría.................8 2.1.2 Ventajas de la cámara fría sobre la cámara caliente......................................................9 2.1.3 Desventajas del proceso de cámara fría......................................................................10 2.2 Fundición a presión en cámara caliente.............................................................................10 2.2.1 Secuencia de operación del proceso de fundición a presión en cámara caliente........10 2.2.2 Ventajas de la cámara caliente sobre la cámara fría....................................................12 2.2.3 Desventajas del proceso de cámara caliente...............................................................12 2.3 Proceso de fundición a presión en múltiples movimientos................................................12 2.3.1 Ventajas de la fundición a presión en múltiples movimientos....................................13 3 Diseño de piezas fundidas a presión.........................................................................................14 3.1 Factores de reducción de costos.........................................................................................14 3.2 Análisis detallado...............................................................................................................16 3.3 Radios.................................................................................................................................16 3.3.1 Radios recomendados..................................................................................................17 3.4 Nervios, ángulos y expulsión.............................................................................................18 3.5 Expulsores, marcas de los expulsores y rebabas de los expulsores...................................19 3.6 Reducción de grandes masas..............................................................................................19 3.7 Simplificación del molde...................................................................................................19 3.7.1 Eliminación de cortes sesgados por debajo de cubos..................................................20 3.7.2 Partición del molde......................................................................................................20 3.8 Necesidades de ángulo de desmoldeo................................................................................21 3.9 Tolerancias.........................................................................................................................21 4 Producción rápida de prototipos................................................................................................21 5 Operaciones secundarias...........................................................................................................22 5.1 Desbarbado.........................................................................................................................22 5.2 Acabado..............................................................................................................................23 5.3 Mecanizado – Aleaciones de Zinc y ZA............................................................................23 5.4 Mecanizado – Aleaciones de aluminio...............................................................................24 5.5 Mecanizado – Aleaciones de magnesio.............................................................................25 5.6 Sujeción y montaje.............................................................................................................25 5.7 Corrosión galvánica............................................................................................................25 5.8 Carga permanente– Fluencia y relajación..........................................................................26 U T N i a n o s . c o m . a r U.T.N. – F.R.G.P. DISEÑO DE PIEZAS INYECTADAS A PRESION Ing. Juan A. Fructuoso DISEÑO MECANICO 2008 3 de 40 6 Aluminio....................................................................................................................................27 6.1 Características de las aleaciones de aluminio....................................................................27 7 Zinc............................................................................................................................................29 7.1 Características de las aleaciones de zinc............................................................................29 8 Magnesio..................................................................................................................................32 8.1 Características de las aleaciones de magnesio...................................................................33 9 Características físicas y termo físicas de las aleaciones para fundir a presión.........................35 9.1 Características Físicas........................................................................................................35 9.2 Características termo físicas...............................................................................................36 10 Vocabulario.............................................................................................................................37 U T N i a n o s . c o m . a r U.T.N. – F.R.G.P. DISEÑO DE PIEZAS INYECTADAS A PRESION Ing. Juan A. Fructuoso DISEÑO MECANICO 2008 4 de 40 DISEÑO DE PIEZAS INYECTADAS A PRESIÓN 1 Introducción El proceso de fundición a presión es un proceso de producción rentable para la producción de componentes metálicos de tolerancias ajustadas y forma final compleja, en grandes volúmenes. Ofrece la ventaja de una calidad y repetibilidad excelente, a menudo con costos inferiores si se compara con otros procesos. El proceso de fundición a presión es la inyección bajo alta presión en un molde de acero, de una aleación de metal fundido, que solidifica rápidamente (de milisegundos a unos pocos segundos) para formar un componente de forma final que es automáticamente extraído. La herramienta de fundición a presión (molde o matriz), puede producir normalmente, varios miles de componentes antes que sea necesaria su sustitución. 1.1 Ventajas de las piezas fundidas a presión: • Producción rentable de gran volumen • Ingeniería de valor logra reducciones de costos • El estudio de las piezas permite reducir operaciones posteriores • Producción de complejas formas finales • Calidad homogénea en grandes volúmenes • Tolerancias ajustadas que se obtienen en las piezas tal como salen del molde • Ángulos de desmoldeo mínimos en características internas • Larga duración de la herramienta de fundición • Costo inferior de la herramienta en el proceso en múltiples movimientos 1.2 Ventajas y mitos La utilización del proceso de fundición a presión para la producción de componentes, ofrece numerosas ventajas. Como en cualquier evaluación, es importante sopesar las ventajas y desventajas de todas las opciones existentes antes de tomar una decisión de diseño y contratación. 1.3 Ventajas de la fundición a presión • Costo La fundición a presión es un proceso rentable de producción de grandes volúmenes de piezas, con máquinas que pueden trabajar a altas velocidades. La herramienta (matriz) tiene larga duración, especialmente en el caso del zinc y el magnesio, y hay muchos proyectos que nunca requieren la sustitución de las herramientas. Con frecuencia, una sola pieza fundida a presión puede sustituir a un conjunto de varias piezas separadas. Con frecuencia se elimina la necesidad de un mecanizado costoso. • Forma final U T N i a n o s . c o m . a r U.T.N. – F.R.G.P. DISEÑO DE PIEZAS INYECTADAS A PRESION Ing. Juan A. Fructuoso DISEÑO MECANICO 2008 5 de 40 Por lo general, las piezas son producidas con su "forma final", especialmente cuando se utiliza el proceso de fundición a presión en múltiples movimientos. Esto produce tolerancias más exactas que las de muchos otros procesos de producción, incluyendo aquellos para geometrías complejas, agujeros y roscas. Con frecuencia, se pueden satisfacer características adicionales aún eliminando operaciones de ensamble. En los casos en que es necesario el mecanizado, se puede trabajar con tolerancias de tan sólo 0,25 mm. • Calidad Se logra una calidad homogénea en grandes volúmenes, con excelente precisión y estabilidad dimensional. Se logran tolerancias ajustadas en las piezas 'tal como salen del molde' y se necesitan ángulos de desmoldeo mínimos. • Propiedades Las aleaciones utilizadas para fundición a presión son duraderas, tienen buena resistencia y dureza, y presentan una alta conductividad eléctrica y térmica. Con ellas pueden fundirse paredes de poco espesor y texturas que van de lisas a rugosas. Las piezas fundidas a presión pueden tener paredes de menor espesor que las producidas mediante otros métodos de fundición, y son mucho más fuertes y rígidas que las piezas de plástico moldeadas por inyección, del mismo tamaño. • Medio ambiente Las piezas fundidas a presión ofrecen una buena resistencia a la corrosión, con buenas características de acabado, excelentes propiedades de protección contra EMI y plena posibilidad de reciclaje. 1.4 Mitos • Los plásticos son más baratos En los casos en que la resistencia, duración del producto, protección contra EMI y posibilidad de reciclaje sean necesarias, con frecuencia los productos fundidos a presión resultan más económicos debido a los refuerzos adicionales y a otras operaciones que requiere el plástico. • Sólo para aplicaciones de bujes sin carga La atención al detalle en el diseño y fundición de componentes, junto con un control de proceso de avanzada tecnología, produce piezas fundidas que pueden ser utilizadas en aplicaciones de bujes sometidos a cargas. • Las piezas fundidas a presión no pueden ser revestidas superficialmente Los adelantos alcanzados en la tecnología de la fundición a presión, han hecho posible la producción de piezas fundidas a presión, que pueden ser chapeadas o recubiertas, lo que le da un estándar muy alto de acabado decorativo comparable con las piezas de plástico. • El magnesio es inflamable El mayor mito. El magnesio sólido (como en una pieza fundida a presión) no se quema, a menos que se encuentre a una temperatura cercana a su punto de fusión (468ºC, 875ºF). Como en el caso de experimentos escolares, es inflamable sólo en forma de polvo o de tiras muy delgadas, pero su presencia en ambas formas se puede evitar con un buen diseño. • El magnesio se corroe U T N i a n o s . c o m . a r U.T.N. – F.R.G.P. DISEÑO DE PIEZAS INYECTADAS A PRESION Ing. Juan A. Fructuoso DISEÑO MECANICO 2008 6 de 40 En las nuevas aleaciones de alta pureza la resistencia a la corrosión es similar a la de las aleaciones de aluminio utilizadas para piezas fundidas a presión. Los tratamientos de superficie también mejoran su resistencia. 1.5 Comparación del proceso de fundición a presión con otros procesos Ventajas de la fundición a presión Desventajas de la fundición a presión Piezas de plástico moldeadas Producción más rápida, mayor rigidez, mayor fortaleza, mejor relación resistencia-peso, dimensionalmente estables (incluso cuando son sometidas a cargas), termo resistentes, proporcionan protección contra EMI, no presentan degradación a causa de los rayos ultravioleta, conductividad eléctrica, completamente reciclables Pueden ser más costosas, un solo color 'el del material fundido' Piezas fundidas a la cera perdida Producción más rápida (más económica para grandes cantidades), menos mecanizado, mayor precisión, geometría más compleja Peores propiedades mecánicas, herramientas más costosas Piezas forjadas Producción más rápida, tolerancias más exactas, paredes de menor espesor, formas más complejas Se limita a aleaciones no férreas, peores propiedades mecánicas Piezas prensadas / estampadas Tolerancias más exactas, variaciones en los espesores de pared, formas más complejas, menor número de piezas y menos operaciones de montaje No se puede hacer con acero, no tiene propiedades de rugosidad, con frecuencia las herramientas son más costosas. 2 Procesos de fundición a presión El proceso tradicional de fundición a presión puede describirse como la inyección a alta presión, de una aleación de metal fundido en un molde de acero (conocido también como matriz). Ésta se solidifica rápidamente (en unos cuantos segundos) para producir un componente de forma final que es extraído automáticamente a continuación. La mayoría de los componentes de zinc, y de los componentes no férreos en general, se producen mediante el proceso de fundición a alta presión. Entre otros procesos de fundición, se incluye la fundición por gravedad y la fundición a la cera perdida, apropiados para volúmenes pequeños o materiales con puntos de fusión muy altos. U T N i a n o s . c o m . a r U.T.N. – F.R.G.P. DISEÑO DE PIEZAS INYECTADAS A PRESION Ing. Juan A. Fructuoso DISEÑO MECANICO 2008 7 de 40 Existen dos procesos básicos de fundición a presión, que se diferencian solamente por el método de inyección del metal: el método de cámara caliente y el de cámara fía. Además, existen dos tipos de procesos de fundición a presión en cámara caliente: el convencional y el de moldes de apertura múltiple. El proceso en cámara caliente se utiliza solamente para aleaciones de zinc (excepto la ZA-27) y aleaciones de magnesio AZ-91. Para las aleaciones de aluminio se puede utilizar solamente el proceso en cámara fría debido a que sus aleaciones erosionan el acero del mecanismo de inyección que se introduce en la cámara caliente. La etapa del ciclo correspondiente a la inyección de metal normalmente concluye con una súbita intensificación de la presión sobre el metal. Esta presión se logra aumentando la presión hidráulica del émbolo, que obliga a una cantidad adicional de metal a penetrar en la cavidad del molde para compensar la contracción que se produce durante la solidificación. Esto es beneficioso hasta el punto en que promueve el llenado completo de la cavidad del molde, y crea una densidad uniforme en el metal. Sin embargo, la presión excesiva no es aconsejable porque fuerza al metal fundido a introducirse entre los componentes del molde, provocando el desgaste del mismo y una rebaba excesiva, que tiene que ser eliminada posteriormente. Controlando cuidadosamente este aumento de la presión, se logra producir piezas de mejor calidad. La presión máxima, multiplicada por el área proyectada de toda la colada, genera la fuerza que se aplica sobre la estructura de la máquina. Con frecuencia, esta presión dicta el tamaño de máquina que se necesita para hacer una pieza, lo cual, a su vez, influye en el costo del producto terminado. Las máquinas se clasifican de acuerdo con la cantidad de toneladas de fuerza de fijación que pueden desarrollar durante el funcionamiento continuo a largo plazo. Normalmente, la pieza fundida es expulsada del molde, unida a cierta cantidad de material sobrante. Aquí se incluyen la compuerta, el canal de colada (que puede tener una galleta), cualquier rebosadero y, posiblemente, rebaba. Conjuntamente, todo este material (conocido como colada) es transferido a un troquel de desbarbado que separa la pieza fundida del material sobrante. Este material procedente del desbarbado se recicla posteriormente. 2.1 Fundición a presión en cámara fría La fundición a presión en cámara fría difiere de la de cámara caliente en cuanto a que el sistema de inyección de la primera no se sumerge en el metal fundido. En su lugar, la carga de metal fundido (más material del que se necesita para fundir la pieza) se transporta, mediante una cuchara de colada, del crisol a un contenedor donde un émbolo accionado hidráulicamente empuja el metal hacia el interior del molde. El material adicional se utiliza para introducir mayor cantidad de metal fundido en la cavidad del molde con el objetivo de compensar la contracción que se produce durante la solidificación. A continuación se muestran los principales componentes de una máquina de fundición a presión en cámara fría. En este tipo de máquina se pueden lograr presiones de inyección de más de 10.000 psi ó 70.000 KPa. U T N i a n o s . c o m . a r U.T.N. – F.R.G.P. DISEÑO DE PIEZAS INYECTADAS A PRESION Ing. Juan A. Fructuoso DISEÑO MECANICO 2008 8 de 40 2.1.1 Secuencia de operación del proceso de fundición a presión en cámara fría 1. Se cierra el molde y el metal fundido se pasa, mediante una cuchara de colada, al contenedor de la cámara fría. 2. El émbolo empuja el metal fundido hacia el interior de la cavidad del molde, donde es mantenido bajo presión hasta que se solidifica. U T N i a n o s . c o m . a r U.T.N. – F.R.G.P. DISEÑO DE PIEZAS INYECTADAS A PRESION Ing. Juan A. Fructuoso DISEÑO MECANICO 2008 9 de 40 3. El molde se abre y el émbolo avanza, para garantizar que la pieza fundida permanezca en molde eyector. Los machos, si hay alguno, se retraen. 4. Los expulsores empujan la pieza fundida y la sacan del molde eyector, y el pistón retorna a su posición original. 2.1.2 Ventajas de la cámara fría sobre la cámara caliente • Hay aleaciones tales como las de aluminio o de zinc-aluminio, y ciertas aleaciones de magnesio, pueden ser procesadas solamente en cámara fría. • Se pueden lograr mayores presiones y velocidades de inyección que producen piezas más compactas. • Menores costos de mantenimiento. U T N i a n o s . c o m . a r U.T.N. – F.R.G.P. DISEÑO DE PIEZAS INYECTADAS A PRESION Ing. Juan A. Fructuoso DISEÑO MECANICO 2008 10 de 40 2.1.3 Desventajas del proceso de cámara fría • Ciclos más largos. • Menor control sobre la temperatura del metal, menor fluidez y menos posibilidades de fundir paredes de poco espesor. • La carga (colada calculada) se enfría antes de la inyección. • El metal fundido está expuesto a la oxidación y a los contaminantes provenientes de la atmósfera. 2.2 Fundición a presión en cámara caliente El proceso en cámara caliente se utiliza solamente para el zinc y otras aleaciones de bajo punto de fusión que no atacan fácilmente ni erosionan los crisoles, cilindros ni pistones de metal. El desarrollo de esta tecnología, mediante el uso de materiales avanzados, hace posible que este proceso sea utilizado para algunas aleaciones de magnesio. A continuación se ilustran los componentes básicos de una máquina de fundición a presión en cámara caliente y el molde. En este proceso, el émbolo y el cilindro, que forman el mecanismo de inyección, se sumergen en el metal fundido que se encuentra en el crisol (o recipiente refractario) que es parte integral de la máquina. A continuación se ilustra la secuencia de operación del ciclo de fundición en cámara caliente. 2.2.1 Secuencia de operación del proceso de fundición a presión en cámara caliente U T N i a n o s . c o m . a r U.T.N. – F.R.G.P. DISEÑO DE PIEZAS INYECTADAS A PRESION Ing. Juan A. Fructuoso DISEÑO MECANICO 2008 11 de 40 1. Se cierra el molde y se eleva el émbolo, abriendo el orificio y permitiendo que el metal fundido llene el cilindro. 2. El émbolo desciende y sella el orificio empujando el metal fundido a través del sifón y la tobera, hacia el interior de la cavidad del molde, donde es mantenido bajo presión hasta que se solidifica. 3. El molde se abre y los machos, si hay alguno, se retiran. La pieza fundida se queda sólo en una sección de del molde, en el lado del mecanismo de eyección. El émbolo retorna, permitiendo que el metal fundido residual retorne a través de la tobera y el sifón. U T N i a n o s . c o m . a r U.T.N. – F.R.G.P. DISEÑO DE PIEZAS INYECTADAS A PRESION Ing. Juan A. Fructuoso DISEÑO MECANICO 2008 12 de 40 4. Los expulsores empujan la pieza fundida y la sacan del molde por el lado del eyector. A medida que el émbolo va destapando el agujero de llenado, el metal fundido fluye a través de la entrada para rellenar el sifón, como en el paso (1). 2.2.2 Ventajas de la cámara caliente sobre la cámara fría • Ciclos cortos, comenzando por menos de 1 segundo para componentes de zinc diminutos. • Control preciso de la temperatura del metal, que mejora la fluidez, y permite que las presiones de inyección sean menores, lo que somete a los equipos a menores esfuerzos. Una mejor fluidez proporciona un mejor llenado de la cavidad, produce piezas más compactas, y permite paredes de menor espesor. • El cilindro sumergido de la colada (sifón), que se llena automáticamente, elimina la variación, acorta el tiempo del ciclo, y facilita el control de la temperatura del metal. • No se produce enfriamiento de la carga (colada calculada), como puede ocurrir cuando se transfiere metal fundido al cilindro de la colada de una máquina de cámara fría. • El metal fundido es sometido a una menor oxidación y a menos contaminantes provenientes de la exposición a la atmósfera. 2.2.3 Desventajas del proceso de cámara caliente • Limitaciones, ya que las aleaciones de aluminio o de zinc-aluminio, y ciertas aleaciones de magnesio, pueden ser procesadas solamente en cámara fría. • Se pueden alcanzar presiones de inyección y velocidades más bajas, por lo que las piezas fundidas pueden ser menos compactas. • Mayores costos de mantenimiento. 2.3 Proceso de fundición a presión en múltiples movimientos Dynacast inventó del proceso de fundición en múltiples movimientos en 1936. Aunque los diseños de nuestras máquinas y los controles del proceso han estado en evolución constante desde entonces, los principios básicos han seguido siendo los mismos. Lo que diferencia al proceso de fundición a presión en múltiples movimientos de la fundición a presión convencional en cámara caliente es la construcción y operación de las herramientas, y la máquina de fundición a presión que se necesita para operar dicho herramental. La utilización internacional de normas significa que somos capaces de transferir de forma fluida la producción de un componente hacia cualquier región del mundo, si un cliente lo necesitara. El mecanismo de inyección del proceso de fundición a presión en múltiples movimientos es muy similar al del proceso tradicional de fundición a presión en cámara caliente descrito. El método tradicional de fundición a presión en cámara caliente utiliza solamente 2 mitades de la herramienta, lo que hace que la producción de piezas de geometría compleja resulte difícil y costosa. Las herramientas de movimientos múltiples están diseñadas para utilizar 4 correderas perpendiculares en la herramienta, con el fin de posibilitar la producción de piezas fundidas muy complejas y de precisión. En algunos casos, se pueden añadir hasta 6 correderas, que pueden estar colocados en ángulos que no sean de 90º. El proceso se utiliza principalmente para la producción de componentes de zinc de pequeño tamaño pero también, cada vez más, para piezas de magnesio. U T N i a n o s . c o m . a r U.T.N. – F.R.G.P. DISEÑO DE PIEZAS INYECTADAS A PRESION Ing. Juan A. Fructuoso DISEÑO MECANICO 2008 13 de 40 La herramienta de movimientos múltiples está compuesta por el porta-molde, la corredera, la cruz y la tapa. Cada porta-molde tiene una cavidad y/o machos sobre su cara, que de conjunto forman la cavidad completa y el perfil del canal de colada por el cual se inyecta el metal fundido. Estos porta- matrices se montan sobre correderas que ajustan con precisión en una cruz, lo cual garantiza la repetitibilidad de las operaciones de apertura y cierre. Una tapa, fijada por tornillos sobre la parte superior de la herramienta, mantiene unidos a todos estos componentes. Cada una de las correderas es manejada por un equipo a control numérico, y se mueve independientemente de las otras, tanto durante las secuencias de cierre como las de apertura. Esto proporciona una enorme flexibilidad que garantiza la integridad de las piezas y evita daños a la herramienta. La eyección de las piezas se logra mediante un chorro de aire a presión que saca la pieza fundida de la cavidad y la expulsa hacia un mecanismo de recolección acolchado. Las máquinas alcanzan, automáticamente, velocidades de hasta 75 ciclos por minuto (4.500 coladas por hora). Esto se logra mediante la utilización de sistemas neumáticos, en lugar de sistemas hidráulicos más lentos, para accionar los diferentes componentes de la máquina. La menor fuerza de sujeción que proporcionan los sistemas neumáticos se suple, con mecanismos de palanca, mecánicos, y empujadores hidráulicos, lo que garantiza que la herramienta de fundición a presión se mantenga bien cerrada durante el proceso de inyección. 2.3.1 Ventajas de la fundición a presión en múltiples movimientos El proceso de fundición a presión en múltiples movimientos ofrece numerosas ventajas. Algunas de ellas son directas, tales como la complejidad de las piezas que se pueden fundir, mientras que otras U T N i a n o s . c o m . a r U.T.N. – F.R.G.P. DISEÑO DE PIEZAS INYECTADAS A PRESION Ing. Juan A. Fructuoso DISEÑO MECANICO 2008 14 de 40 son el resultado de las creativas soluciones que hemos podido ofrecer a nuestros clientes en base a la experiencia acumulada en el transcurso de los años. • La precisión de las dimensiones se logra mediante el diseño, la construcción y el mantenimiento de herramientas de muy alta precisión. • Las tolerancias ajustadas y la repetitibilidad se mantienen durante la producción de grandes volúmenes de piezas y años de producción como resultado de la utilización de aceros de alta calidad para herramientas, la construcción de precisión, y la aplicación de fuerzas relativamente pequeñas y choques térmicos sobre las herramientas. • Se requieren ángulos mínimos de desmoldeo en las líneas internas, lo que produce superficies casi paralelas. • Los componentes en forma final se producen directamente en la máquina de fundición a presión, sin necesidad de costosas operaciones secundarias. • La consolidación de las piezas, que se puede lograr mediante la mayor flexibilidad de diseño que el proceso permite, elimina operaciones y ahorra costos. • Se pueden producir componentes complejos en una forma que no resulta económicamente viable con ningún otro proceso. • Se pueden fundir a presión paredes de muy poco espesor debido a la altísima velocidad, al estricto control de temperatura y al corto recorrido del metal fundido durante el proceso de inyección. • Se garantiza la producción rentable de grandes volúmenes de piezas mediante los ciclos de alta velocidad de nuestras máquinas. • Se logra una larga duración de las matrices como resultado de la utilización de aceros de alta calidad para herramientas, la construcción de precisión y los relativamente bajos esfuerzos y choques térmicos a que se somete a las herramientas. • El costo de las herramientas es menor debido a que la herramienta es significativamente más pequeña que la de los diseños tradicionales. 3 Diseño de piezas fundidas a presión Para optimizar los beneficios, las piezas fundidas a presión deben ser diseñadas de forma diferente que para otros procesos. Mediante la combinación de componentes y la eliminación de costosas operaciones de montaje, las piezas fundidas a presión pueden producir beneficios adicionales y maximizar la reducción de costos. 3.1 Factores de reducción de costos Hay muchos factores que influyen tanto en el costo de un componente individual como en el del producto final del cliente. El 90% de estos se determina en la etapa de diseño, y no mediante mejoras de eficiencia en el proceso de fabricación elegido. Algunos son fáciles de identificar, como la materia prima y el costo de procesamiento, pero otros son difíciles de reducir de forma drástica. Otros, aunque menos obvios, pueden tener un impacto mucho mayor en la reducción de costos. • La combinación de componentes reduce los costos de montaje cuando se sustituye un conjunto ya existente de varias piezas por una pieza fundida a presión. • La conversión a partir de otro proceso implica el rediseño para obtener la solución más económica de la fundición a presión. A menudo, es beneficioso rediseñar los componentes, teniendo en cuenta el proceso de fundición a presión, la fabricación de los moldes y el U T N i a n o s . c o m . a r U.T.N. – F.R.G.P. DISEÑO DE PIEZAS INYECTADAS A PRESION Ing. Juan A. Fructuoso DISEÑO MECANICO 2008 15 de 40 diseño de elementos que afectan la duración del molde, además de las necesidades de acabado y de sujeción. • La reducción de peso disminuye el costo directo de la materia prima y también aumenta el ritmo de producción. • Los ahorradores de peso reducen el contenido total de material, mejorando a menudo el diseño y la calidad de la pieza mediante la eliminación de áreas porosas de potencial contracción. Al fabricar el molde se debe tener cuidado de evitar los elementos de pequeño tamaño que puedan provocar un fallo prematuro del mismo o necesitar mucho mantenimiento. • Es conveniente que haya uniformidad en el espesor de pared ya que diferentes espesores pueden tener un impacto negativo en la solidez de la pieza fundida a presión, debido a la cambiante velocidad del metal y a la turbulencia que se crea cuando llena el molde. • El diseño meticuloso de nervios en piezas estructurales grandes puede reducir el contenido total de material a la vez que mantiene la integridad estructural de la pieza. • Evitar los cortes sesgados, ya que aumentan considerablemente el costo de un componente y la fabricación de las herramientas asociadas. • Evitar los ángulos agudos que van en detrimento de la duración del molde y aumentan el costo del componente. • Las tolerancias ajustadas innecesarias aumentan de forma significativa el costo de la fundición a presión. Obtener una tolerancia determinada en una pieza fundida a presión depende de todo el proceso, no sólo de la cavidad del molde. • Deben evitarse las tolerancias geométricas indiscriminadas en los componentes. La aplicación de tolerancias geométricas debe aplicarse únicamente a características funcionales y solamente después de un minucioso análisis para asegurar que no se estén aplicando tolerancias excesivamente ajustadas. • El ángulo de desmoldeo es una necesidad fundamental de la fundición a presión, que garantiza que la pieza pueda extraerse del molde sin sufrir daños. • Los elementos de una pieza fundida a presión que no sean perpendiculares a la línea de división pueden llevar, a menudo, a un costo significativamente mayor, debido a la necesidad de movimientos angulares adicionales o mecanizado. • Al evitar el mecanizado se elimina la posibilidad de descubrir los defectos bajo la superficie que aumentarían los niveles de rechazo. • La marca de la entrada de material y las líneas de división permisibles, y su posición, tienen impacto en el costo: cuanto más exigentes sean las necesidades, mayor será la cuantía de las operaciones de acabado y el costo. • El uso de tornillos autoroscantes o moldeadores de rosca puede reducir de forma significativa el costo del componente acabado, eliminando la operación de roscado requerida y la necesidad de utillaje de fijación. Los orificios, hechos mediante la inserción de macho en el molde, para tornillos autoroscantes o moldeadores de rosca pueden ser fundidos, eliminando la necesidad de las operaciones de taladrado. • El costo de las aleaciones para fundición a presión está sujeto a variaciones y no es un buen indicador del costo relativo de un componente acabado. La economía del proceso de fundición a presión está en función del ritmo de producción, determinado por factores independientes como el material, tamaño de la máquina, peso de los componentes, tiempo del ciclo, número de cavidades, duración del molde y nivel de rechazo. • El costo del molde viene determinado por el número de horas que se necesitan para la fabricación, que es una función del diseño del componente. U T N i a n o s . c o m . a r U.T.N. – F.R.G.P. DISEÑO DE PIEZAS INYECTADAS A PRESION Ing. Juan A. Fructuoso DISEÑO MECANICO 2008 16 de 40 3.2 Análisis detallado Una vez que se ha definido la función del producto, se debe desarrollar una configuración compatible con el proceso de fundición a presión y la aleación seleccionada. La elección de la aleación debe hacerse en base a las propiedades mecánicas, físicas y químicas necesarias. En los casos en que se puede utilizar más de una aleación para fundición a presión, normalmente prevalece la economía. Un diseño de componente optimizado para el proceso de fundición a presión deberá: • Llenar el molde completamente con metal, de modo que favorezca la producción de una pieza fundida maciza. Esta es una función del diseño de componentes además del diseño de los sistemas de bebederos, canal de colada y entrada de material que se usan en el molde, y los parámetros de máquina usados en el proceso de fundición a presión. • Solidificar rápidamente y sin defectos. Al igual que en el caso anterior, ésta es una función de los parámetros de diseño y proceso. • Salir fácilmente del molde sin que la pieza sufra daño alguno. Estos resultados pueden obtenerse más fácilmente mediante la aplicación de seis principios al diseñar los componentes: 1. Utilizar un espesor uniforme de pared. 2. Proporcionar radios grandes en la intersección de elementos como paredes, nervios, cubos, etc. Esto favorece la resistencia del componente, mejora el flujo de metal, reduce el mantenimiento del molde y aumenta la duración del mismo. 3. Siempre debe especificarse el ángulo de desmoldeo. En algunos casos es posible fundir con un ángulo de desmoldeo mínimo o incluso cero para eliminar el mecanizado final. Sin embargo, esto debe considerarse cuidadosamente y debe ser discutido con el fundidor. 4. Los ángulos agudos externos deben suavizarse siempre con radios o chaflanes, para reducir la posibilidad de daños al molde y reducir su mantenimiento. Debe recordarse que un ángulo externo del componente es un ángulo interno en el molde y sin un radio, se produce un gradiente de esfuerzo muy alto, que debido a las altas presiones utilizadas en el proceso y al ciclo térmico, finalmente fallará. 5. Donde sea posible, deben evitarse los cortes sesgados, ya que o bien necesitan mecanizado del componente, o machos de corredera retráctiles en el molde. 6. Relacionar las dimensiones críticas a un elemento del molde y no a la línea de partición. No es posible obtener la misma precisión en toda la línea de partición si hay una mala alineación del eyector con las mitades del molde. 3.3 Radios Para evitar las concentraciones de tensiones en la pieza y en el molde de fundición a presión y para ayudar a que se llene todo la cavidad, deben usarse radios adecuados en todos los bordes internos y externos del componente. La única excepción a esta regla son los casos donde el elemento cae en la línea de partición del molde. U T N i a n o s . c o m . a r U.T.N. – F.R.G.P. DISEÑO DE PIEZAS INYECTADAS A PRESION Ing. Juan A. Fructuoso DISEÑO MECANICO 2008 17 de 40 3.3.1 Radios recomendados En lo que respecta a piezas estructurales, hay un tamaño óptimo de filete. Aunque al aumentar el tamaño del filete, normalmente la concentración de esfuerzos disminuirá en la parte inferior del nervio, finalmente, la masa de material añadida por el filete inducirá porosidad de contracción en esa zona. Los filetes aplicados de forma perpendicular a la línea de división del molde requieren ángulo de desmoldeo. RADIOS RECOMENDADOS RADIOS NO RECOMENDADOS U T N i a n o s . c o m . a r U.T.N. – F.R.G.P. DISEÑO DE PIEZAS INYECTADAS A PRESION Ing. Juan A. Fructuoso DISEÑO MECANICO 2008 18 de 40 3.4 Nervios, ángulos y expulsión Los nervios se usan para: • Aumentar la rigidez y resistencia de un componente. • Ayudar en la producción de una pieza fundida maciza. Si el componente es una pieza estructural, el diseño de los nervios debe considerarse cuidadosamente, especialmente en las áreas sometidas a altos esfuerzos. Deben utilizarse radios proporcionados de forma adecuada para evitar concentraciones de tensiones en la unión del nervio y el componente principal. Esto también puede ayudar en la producción de una pieza fundida maciza al proporcionar un medio de distribuir el metal dentro del molde. La tecnología actual de fundición a presión permite nervios más delgados y profundos de los que eran posibles anteriormente. Sin embargo, la relación anchura / profundidad tiene una importancia significativa en el diseño del molde y en los procesos que se usan para fabricarlo. Sin embargo, los ángulos y bordes en la posición de la línea de partición deben ser agudos, lo cual puede resultar poco recomendable desde el punto de vista del rendimiento de trabajo del componente. Cualquier otra posición debe tener radios para evitar problemas de fallos prematuros del molde y favorecer el llenado de la cavidad. DISEÑOS DE NERVIOS RECOMENDADOS NO RECOMENDADOS U T N i a n o s . c o m . a r U.T.N. – F.R.G.P. DISEÑO DE PIEZAS INYECTADAS A PRESION Ing. Juan A. Fructuoso DISEÑO MECANICO 2008 19 de 40 3.5 Expulsores, marcas de los expulsores y rebabas de los expulsores Se pueden utilizar expulsores móviles para sacar la pieza fundida del molde. Generalmente, estos dejan una marca en la pieza fundida, y su posición y tamaño deben ser discutidos con el fundidor, durante la fase de diseño de la pieza. Las marcas que dejan los expulsores pueden ser elevaciones o depresiones, normalmente de 0,3 mm (0,012"). El desbarbado necesario puede ser reducido mediante un cuidadoso diseño del componente. La colaboración con el fundidor al comienzo de la fase de diseño de los componentes, dará como resultado una producción más económica. 3.6 Reducción de grandes masas Al rediseñar piezas fabricadas anteriormente mediante otros procesos, el empleo de paredes de menor espesor y nervios de refuerzo puede reducir el peso, eliminando las masas grandes por el empleo de machos. En el ejemplo anterior, el cubo que se muestra en (1) es malo debido a la gran masa de material en las paredes, que dará como resultado porosidad, y alargará los ciclos de colada. El cubo que se muestra en (2) es mejor por tener un espesor de pared más uniforme, y las paredes gruesas han sido sustituidas por nervios. El cubo que se muestra en (3) tampoco necesita machos móviles ni correderas para los machos. 3.7 Simplificación del molde Algunas características como los cortes sesgados, cubos y orificios, necesitan un mecanizado posterior o machos de corredera retráctiles en el molde, ya que estos elementos no están orientados en la dirección de extracción del molde. Los machos de correderas retráctiles pueden aumentar significativamente el costo de fabricación y mantenimiento de un molde, y también alargan el ciclo de fundición. Más aún, también tienden a producir rebabas en superficies exteriores y generar costos adicionales para su posterior eliminación. U T N i a n o s . c o m . a r U.T.N. – F.R.G.P. DISEÑO DE PIEZAS INYECTADAS A PRESION Ing. Juan A. Fructuoso DISEÑO MECANICO 2008 20 de 40 A continuación se muestran ejemplos de rediseño de componentes para eliminar machos de correderas. En (1) se necesitan machos móviles debido a las características externas, sin embargo en (2) la pieza fundida puede hacerse sin machos móviles ni correderas para machos. 3.7.1 Eliminación de cortes sesgados por debajo de cubos Los cortes sesgados por debajo de los cubos forman elementos que impiden que la pieza fundida sea expulsada del molde. En estos casos, un rediseño cuidadoso puede eliminar el mecanizado posterior necesario o las correderas para machos adicionales necesarias en el molde. A continuación se muestran alternativas de diseño que eliminan un corte sesgado formado por un cubo interior. En la figura (1) se muestra el diseño del alojamiento original. Los cubos crean cortes sesgados que no pueden ser fundidos. En (2) se muestra una alternativa en la que los cubos son reubicados en el exterior de la caja, eliminando así los cortes sesgados. En (3) al diseño original se le insertan los machos mediante una apertura en la pared inferior. En (4) los cubos se amplían hasta la pared inferior de la caja protectora, eliminando el corte sesgado. Sin embargo, sin la inserción adicional de machos que se muestra en (5), habrá una masa excesiva de metal. 3.7.2 Partición del molde La posición de la línea de partición del molde puede ser importante para la aplicación, debido a la línea que queda en la pieza fundida en el punto donde se encuentran las dos mitades del molde. Si U T N i a n o s . c o m . a r U.T.N. – F.R.G.P. DISEÑO DE PIEZAS INYECTADAS A PRESION Ing. Juan A. Fructuoso DISEÑO MECANICO 2008 21 de 40 fuera necesario, la pieza fundida debe ser desbarbada a lo largo de esta línea y el troquel de desbarbado debe ser configurado para ello y recibir mantenimiento. La simplificación de configuración de la línea de división reducirá el costo de fabricación y mantenimiento del troquel de desbarbado. En algunos casos, una línea de división simplificada puede eliminar la necesidad de operaciones de limpieza en superficies externas. 3.8 Necesidades de ángulo de desmoldeo El ángulo de desmoldeo es necesario en superficies paralelas a la dirección de extracción del molde porque facilita la expulsión de la pieza fundida del molde. Para paredes o superficies interiores se recomienda el doble de ángulo de desmoldeo que para paredes o superficies exteriores. La razón es que a medida que la aleación se solidifica y se contrae, acercándose a los elementos del molde que forman las superficies interiores (normalmente situadas en la mitad correspondiente al eyector, en la fundición a presión convencional en cámara fría), se aleja de los elementos que forman las superficies exteriores (normalmente situadas en la mitad correspondiente a la tapa, en la fundición a presión convencional en cámara fría). 3.9 Tolerancias El establecimiento de tolerancias para las piezas fundidas depende en gran parte de la forma, longitud y posición de cada elemento así como de la aleación que se emplee para la aplicación. Los factores más importantes al establecer las tolerancias de un componente no son lo ajustada que puede ser una tolerancia, ni la capacidad de procesamiento que puede lograrse, sino lo que se necesita para cumplir las necesidades funcionales y cuáles son las dimensiones y características fundamentales. Una vez que éstas hayan sido especificadas, se elegirá el proceso adecuado para lograrlas del mejor modo. Hay casos en que el establecimiento de tolerancias no es tan estricto como debiera ser, dando como resultado una mala calidad y duración del producto. Igualmente, hay casos en los que es más ajustada de lo necesario, lo que da como resultado mayores costos de producto y mayores niveles de rechazo. Las tolerancias deben ser tan ajustadas como sea necesario, y no lo más ajustadas posible. 4 Producción rápida de prototipos Actualmente, se utilizan diversas técnicas para la fabricación rápida de prototipos, que incluyen la estereolitografía, sinterización selectiva mediante láser (SLS) y modelado por deposición fundida (FDM). Con estas técnicas se producen modelos maestros que después se usan para fabricar prototipos económicos de fundición por gravedad y moldeados en yeso, de zinc, aluminio, y magnesio. Para producir cantidades en serie de componentes de prototipos con características materiales y una precisión representativa de las piezas de fundición a presión de la producción, las herramientas de una sola cavidad se producen usando técnicas de mecanizado a alta velocidad y métodos tales como el proceso Keltool. En muchos casos, la mayor parte del trabajo de producción de prototipos se lleva a cabo sin componentes físicos, utilizando técnicas de simulación para examinar como diseños alternativos U T N i a n o s . c o m . a r U.T.N. – F.R.G.P. DISEÑO DE PIEZAS INYECTADAS A PRESION Ing. Juan A. Fructuoso DISEÑO MECANICO 2008 22 de 40 de componentes se comportarán en servicio. Esto proporciona la confianza de que el material y el proceso elegidos darán resultado en el producto final. El creación de prototipos 'virtuales' permite el examen de muchos escenarios hipotéticos sin que se produzcan costosas herramientas o prototipos de componentes. 5 Operaciones secundarias Haciendo un diseño racional desde el comienzo, puede llegarse a obtener piezas inyectadas sanas y bien terminadas, reduciéndose a un mínimo las operaciones que suelen ser de práctica después del proceso de fundición a presión. 5.1 Desbarbado Si se lograra producir piezas fundidas a presión ‘libres de rebabas”, se eliminarían muchas de las operaciones tradicionales de desbarbado. Con frecuencia, todo lo que se necesita en un simple proceso de lavado vibratorio para que las piezas que salen de la máquina de fundición a presión estén listas para que el cliente las utilice. Durante el proceso de fundición a presión, se puede formar una delgada proyección de material (una línea de referencia o rebaba) a lo largo de la línea de división de los bloques opuestos del molde u otros componentes móviles del mismo, tales como los expulsores. Adicionalmente, las zonas del borde de la pieza fundida a presión donde entra el metal (conocidas como compuertas) y por donde sale el metal (conocidas como rebosaderos) forman secciones más gruesas. Mediante una adecuada técnica de diseño al inicio de un proyecto, se puede reducir el impacto de éstas sobre la función y apariencia de la pieza fundida a presión, y evitar muchas operaciones secundarias costosas que se requieren para eliminar el exceso de material. En la guía siguiente presentamos una estimación de la cantidad de metal que sobresale de las superficies en diferentes etapas de proceso. Se pueden aplicar otros procesos de acabado para satisfacer necesidades específicas. Tenga en cuenta que estas guías se aplican al método típico para piezas fundidas a presión en cámara fía y caliente. Utilizando el proceso de corredera múltiple siempre se obtiene una cantidad significativamente menor de protuberancias. U T N i a n o s . c o m . a r U.T.N. – F.R.G.P. DISEÑO DE PIEZAS INYECTADAS A PRESION Ing. Juan A. Fructuoso DISEÑO MECANICO 2008 23 de 40 5.2 Acabado Las superficies de una pieza fundida pueden clasificarse en una de estas 5 categorías. Si se tiene en cuenta estas exigencias desde el momento mismo del diseño, puede resultar más sencillo elegir el proceso adecuado y aún diseñar el molde. 5.3 Mecanizado – Aleaciones de Zinc y ZA Las complejas formas, los detalles de precisión y los acabados de superficie de primera calidad que pueden obtener de la fundición a presión de pequeños componentes de zamak, generalmente hacen que no sea necesario mucho mecanizado. Aparte de quitar la entrada de material y los canales de colada, generalmente se necesita muy poco mecanizado en las piezas fundidas a presión de zamak, debido a la excelente precisión que puede lograrse. Puede que sea necesario rectificar las superficies críticas, taladrar los orificios que no estén ya hechos, y puede que sea necesario hacer los cortes sesgados y las roscas que resulten demasiado caras de hacer por fundición. U T N i a n o s . c o m . a r U.T.N. – F.R.G.P. DISEÑO DE PIEZAS INYECTADAS A PRESION Ing. Juan A. Fructuoso DISEÑO MECANICO 2008 24 de 40 Las características de mecanizado de las aleaciones de zinc y ZA son muy buenas. Las pruebas de desgaste de las herramientas en operaciones de taladrado con brocas de acero alta velocidad indicaron un menor desgaste con la aleación ZA-12 que con la aleación para piezas fundidas a presión de latón SAE-40. Por lo general, se puede utilizar una amplia gama de variantes de mecanizado. Las herramientas de corte de acero de alta velocidad son adecuadas para las aleaciones de zinc. Las herramientas de corte deben mantenerse bien afiladas para disminuir la generación de calor, el gripado, la formación de rebabas y las variaciones de las dimensiones mecanizadas. Las herramientas estriadas tales como brocas, machos, escariadores y fresas deben tener estrías grandes y pulidas para reducir la fricción y ayudar a la extracción de las virutas. En las aleaciones para piezas fundidas a presión de zinc se pueden utilizar velocidades de avance y de corte de moderadas a altas, sin detrimento de la vida útil de la herramienta. Aunque no siempre es necesaria, se recomienda insistentemente la utilización de fluidos de corte porque el calor que se genera tiende a debilitar las aleaciones y contribuye al gripado y a la formación de rebabas. Los fluidos de corte lubrican y refrigeran la zona de corte minimizando, por lo tanto, la formación de bordes alzados, el gripado y la formación de rebabas mejorando, al mismo tiempo, el acabado de superficie, ayudando a la extracción de la rebaba. En el mercado hay muchos lubricantes que pueden ser utilizados para piezas fundidas a presión de zinc. Sin embargo, debe reconocerse que, en el caso de piezas complejas, puede resultar difícil eliminar el fluido de corte. Será necesario limpiar y secar bien las piezas fundidas para evitar la corrosión, y también antes de aplicarles cualquier tratamiento de superficie. Por lo general, los lubricantes con base acuosa son más fáciles de eliminar que los de base oleosa. Con frecuencia, estos últimos requieren que las piezas fundidas sean desengrasadas mediante el uso de disolventes que están siendo cada día más controlados debido a su impacto en el medio ambiente. Deben evitarse las interrupciones momentáneas de la velocidad de avance ya que éstas generan calor rápidamente y conllevan el gripado, la formación de rebabas, así como el deterioro del acabado de superficie. Siguiendo las directrices existentes para el mecanizado de zinc se logran acabados de superficie de alta calidad, así como una buena productividad. 5.4 Mecanizado – Aleaciones de aluminio Las características de mecanizado varían ligeramente entre las ocho aleaciones para piezas fundidas a presión que se pueden adquirir en el mercado, pero todo el grupo es superior al hierro, el acero y el titanio. La alta velocidad de solidificación, asociada con el proceso de fundición a presión, hace que las aleaciones para fundir a presión sean superiores a las aleaciones forjadas y fundidas de similar composición química. La Aleación 380, la aleación para fundición a presión más ampliamente utilizada, es mejor que la media. Las aleaciones más difíciles de mecanizar son aquellas que contienen más de un 10 % de silicio. Las partículas duras de silicio libre de estas aleaciones pueden provocar un rápido desgaste de las herramientas. U T N i a n o s . c o m . a r U.T.N. – F.R.G.P. DISEÑO DE PIEZAS INYECTADAS A PRESION Ing. Juan A. Fructuoso DISEÑO MECANICO 2008 25 de 40 5.5 Mecanizado – Aleaciones de magnesio Las aleaciones para piezas fundidas a presión de magnesio tienen una excelente propiedad para el mecanizado debido a su compacta estructura hexagonal. Siempre existe el riesgo de incendio cuando se mecanizan aleaciones de magnesio, especialmente cuando se producen astillas o virutas finas. Durante el mecanizado y el manejo de las virutas de magnesio deben cumplirse ciertas reglas generales: • Utilice altas velocidades de avance para producir viruta gruesa. • No permita que las herramientas rocen con la pieza de trabajo. • Evite cualquier fuente de ignición de las virutas. • Mantenga el puesto de mecanizado limpio y libre de acumulación excesiva de viruta. • Tenga siempre a mano una cantidad adecuada de agentes extintores (fundente seco, arena seca, extintores clase D). • Utilice soluciones cáusticas diluidas / emulsiones de aceite o refrigerantes sintéticos especialmente homologados para minimizar la formación de hidrógeno. • Garantice un abundante flujo de lubricante de corte. • Las cabinas cerradas de mecanizado deben tener una buena ventilación para evitar las concentraciones excesivas de hidrógeno. • Guarde las virutas húmedas en bidones de acero ventilados por la parte superior, colocados en un área de almacenamiento adecuada, alejada de las áreas de mecanizado y fundición. • Transporte las virutas húmedas en contenedores bien ventilados, en vehículos ventilados. 5.6 Sujeción y montaje Las piezas fundidas a presión de zinc, aluminio y magnesio tienen un buen récord de rendimiento en numerosos entornos de trabajo, cuando se fijan a otras piezas fundidas, aleaciones forjadas y fundidas, plásticos y madera. Teóricamente, se puede utilizar casi cualquier método de sujeción; algunos de los mismos son discutidos más detalladamente a continuación. Sin embargo, antes de entrar en los detalles de los métodos de sujeción y unión, hay dos factores de importancia que es necesario tomar en consideración; estos son, la corrosión galvánica y las cargas permanentes. En condiciones de funcionamiento normal, estos factores no representan ningún problema para las aplicaciones. 5.7 Corrosión galvánica La corrosión galvánica es un fenómeno que se produce cuando dos metales diferentes están en contacto entre si, en presencia de un electrolito como por ejemplo agua salada. Se generará una corriente que fluye del metal anódico o más básico al metal catódico o más noble – de hecho, el material del ánodo se chapa por sí mismo sobre el cátodo. Debe tenerse en cuenta que la corrosión galvánica puede producirse en algunos casos, aún cuando los metales disímiles no estén en contacto directo entre sí, pero estén conectados por un electrolito U T N i a n o s . c o m . a r U.T.N. – F.R.G.P. DISEÑO DE PIEZAS INYECTADAS A PRESION Ing. Juan A. Fructuoso DISEÑO MECANICO 2008 26 de 40 común. El potencial y la severidad de la corrosión galvánica es función de la posición de los metales en la serie electroquímica y de la conductividad del electrolito. El magnesio y el aluminio tienen un alto potencial de electrodo y, por lo tanto, hay muy pocos metales y aleaciones que puedan acoplarse a ellos sin riesgo de corrosión galvánica. Otro factor que afecta la velocidad de corrosión galvánica es el tamaño proporcional de los materiales del ánodo y del cátodo. Las peores condiciones se dan en el caso de un ánodo pequeño y un cátodo grande. La corrosión galvánica puede evitarse o minimizarse: • Aislando los metales disímiles para evitar el contacto entre ellos, utilizando una junta de material no conductor. • Interrumpiendo el paso del electrolito entre los dos metales si no están conectados físicamente, recubriendo los componentes con un acabado no conductor. • Seleccionando metales que tengan un máximo de compatibilidad. • Impidiendo o minimizando la acumulación de electrolito, generalmente agua, en las superficies críticas. 5.8 Carga permanente– Fluencia y relajación Las siguientes directrices, sujetas a verificación mediante pruebas, constituyen un punto de partida cuando se vaya a hacer un diseño, para contrarrestar los efectos de una posible relajación: •Reduzca considerablemente el esfuerzo sobre las roscas de la pieza fundida a presión, aumentando el diámetro de la rosca o la longitud de acoplamiento de la misma más allá de lo que normalmente se requiere, para evitar que se estropee. • Reduzca los esfuerzos en los puntos donde se utiliza estacamiento o embutido incrementando el número de operaciones de estacado y aumentando el área que es embutida. • Donde sea posible, utilice tornillos pasantes y tuercas en vez de insertar vástagos o tornillos en taladros roscados, de forma que en la pieza fundida se induzcan sólo esfuerzos de compresión – limite los esfuerzos de corte, doblado y tracción al tornillo y la tuerca. • Donde sea posible, utilice insertos para distribuir las cargas por la pieza fundida y reducir las concentraciones de esfuerzos. U T N i a n o s . c o m . a r U.T.N. – F.R.G.P. DISEÑO DE PIEZAS INYECTADAS A PRESION Ing. Juan A. Fructuoso DISEÑO MECANICO 2008 27 de 40 • En los lugares donde utilice insertos, diseñe el punto de unión de forma que las cargas permanentes no sean transmitidas a la pieza fundida. • Combine los métodos de sujeción, tales como insertos de unión o estacado, en adición a los ajustes por interferencia. 6 Aluminio Las piezas fundidas a presión de aluminio son ligeras y de todas las aleaciones utilizadas para la fundición a presión, son las que pueden resistir las más altas temperaturas de trabajo. Es ideal para entornos exigentes y proporciona una alta resistencia y rigidez, junto con una buena resistencia a la corrosión y una buena disipación de calor. En telecomunicaciones e informática, el aluminio se utiliza en una amplia gama de equipos de red e infraestructura, más significativamente en las carcasas y alojamientos de filtros de RF que necesitan de disipación de calor. Proporciona protección contra EMI, rigidez y durabilidad, con un peso mínimo, a las protecciones contra interferencia y carcasas de dispositivos de mano. Su excelente rendimiento eléctrico y propiedades protectoras, especialmente en entornos a altas temperaturas, son ideales para conectores electrónicos. Las piezas fundidas a presión de aluminio mejoran la economía de combustible de automoción contribuyendo a evaluar las necesidades de ahorro. El punto fuerte es en las aplicaciones electrónicas, tales como protecciones contra interferencias para equipos telemáticos y alojamientos de sensores, y sistemas de sujeción de ocupantes de coches, críticos para la seguridad, tales como alojamientos y carretes de airbag. Las piezas fundidas a presión de aluminio son ligeras y, de todas las aleaciones utilizadas para fundición a presión, son las que pueden resistir las más altas temperaturas de trabajo. Son ideales para entornos exigentes y proporcionan una alta resistencia y rigidez, junto con una buena resistencia a la corrosión y una buena disipación de calor. 6.1 Características de las aleaciones de aluminio • Las más altas temperaturas de trabajo • Extraordinaria resistencia a la corrosión • Poco peso • Muy buena resistencia y dureza • Buena rigidez y relación resistencia-peso • Excelentes propiedades de protección contra EMI • Excelente conductividad térmica • Alta conductividad eléctrica • Buenas características de acabado • Plena capacidad de reciclaje U T N i a n o s . c o m . a r U.T.N. – F.R.G.P. DISEÑO DE PIEZAS INYECTADAS A PRESION Ing. Juan A. Fructuoso DISEÑO MECANICO 2008 28 de 40 Escala relativa: 1 =la más conveniente, 5 =la menos conveniente. • A Resistencia a la ruptura en caliente. Capacidad de una aleación de resistir las tensiones que se generan durante la contracción, cuando se enfría pasando por el cambio de temperatura en que es frágil en caliente. • B Capacidad para llenar el molde. Capacidad del metal fundido de fluir libremente en el molde y llenar las secciones de poco espesor. • C Facilidad y calidad para el mecanizado. Clasificación compuesta basada en la facilidad de corte, características de las virutas, calidad del acabado y duración de las herramientas. • D Facilidad y calidad para aplicación de galvanoplastia. Capacidad de una pieza fundida de aceptar y retener un recubrimiento galvanoplástico aplicado mediante métodos estándar. • E Facilidad y calidad para el pulido. Clasificación compuesta basada en la facilidad y velocidad de pulido y calidad de acabado, basada en procedimientos típicos de pulido. • F Baja adherencia al molde. Capacidad de una aleación fundida de fluir sin pegarse a las superficies del molde. La clasificación dada para la antiadherencia se basa en composiciones nominales de hierro de un 1%. • G Resistencia a la corrosión. Se basa en la resistencia de la aleación durante la prueba de niebla salina estándar. • H Anodización (apariencia). Se clasifica en base a la claridad de color, brillantez, y uniformidad de un recubrimiento claro anodizado aplicado en un electrolito de ácido sulfúrico. Por lo general, las piezas fundidas a presión de aluminio son apropiadas para el anodizado de color claro, en las que es necesaria una apariencia cosmética agradable. • I Recubrimiento químico de óxido protector. Se clasifica en base a la resistencia combinada del recubrimiento y de la aleación base a la corrosión. • J Resistencia a altas temperaturas. Clasificación basada en la resistencia a la tracción y al límite aparente de fluencia a temperaturas de hasta 260°C (500°F), después de un calentamiento prolongado a la temperatura de prueba. Aleación de aluminio A380 La aleación A380 es una de las aleaciones de aluminio más comúnmente utilizadas debido a que ofrece la mejor combinación de moldeabilidad y de propiedades mecánicas y térmicas. Su fluidez, estanqueidad bajo presión y resistencia a la ruptura en caliente son muy buenas. Aunque se considera que la capacidad de ser mecanizada de la aleación A380 es bastante buena, la aleación presenta una tendencia a ser algo abrasiva debido a su relativamente alto contenido de silicio. Se utiliza para una amplia gama de productos incluyendo los bastidores de equipos electrónicos, soportes de motores, carcasas de reductores de velocidad, muebles domésticos, herramientas eléctricas y de mano. No es común someter a las piezas fundidas a presión a ningún tratamiento térmico por la posibilidad de formación de ampollas debido a la porosidad de la sub superficie cuando se calienta U T N i a n o s . c o m . a r U.T.N. – F.R.G.P. DISEÑO DE PIEZAS INYECTADAS A PRESION Ing. Juan A. Fructuoso DISEÑO MECANICO 2008 29 de 40 a altas temperaturas. Sin embargo, sus propiedades pueden ser mejoradas dando a las piezas fundidas un temple T2 ó T5. Con frecuencia, las propiedades de las piezas fundidas a las que se les ha dado un temple T5 se acercarán a las de T6. Las piezas fundidas a las que se les vaya a dar este tratamiento tienen que tener una excelente solidez interna. Aleación de aluminio 383 Esta aleación es una alternativa a la A380, y con frecuencia se recomienda cuando se trata de componentes muy intrincados que requieren de mejores características de llenado del molde y una mayor resistencia a la ruptura en caliente. La aleación 383 también tiene una mejor resistencia a la corrosión. Aleación de aluminio B390 La B390 es una aleación de aluminio hiper eutéctico y silicio que fue originalmente desarrollada como aleación resistente al desgaste para los bloques de los motores de vehículos automotores. Su resistencia al desgaste es excelente. Sin embargo, la aleación tiene muy poca ductilidad y su alargamiento es de aproximadamente un 1 %. Su utilización en otras aplicaciones se ha extendido para incluir cuerpos de válvulas, carcasas de compresores y otros componentes sometidos a la abrasión y al desgaste, tales como los rodamientos. Los sistemas de tratamiento de superficie realmente permiten que los pistones de los motores de desplacen directamente sobre la aleación, sin que sea necesario colocar camisas de hierro en el bloque de cilindros. El mecanizado de esta aleación requiere atenciones especiales debido a su elevado contenido de silicio. 7 Zinc A nivel internacional, se producen billones de piezas de zinc fundidas a presión, que van desde centésimas de gramo hasta un kilogramo, utilizando una combinación de tecnologías de movimientos múltiples y de cámara caliente convencional. La alta resistencia y dureza de las aleaciones de zinc las convierten en una alternativa ideal a la producción de componentes mecanizados, prensados, estampados y soldados. Los complejos alojamientos de zinc, en forma final, con precisas paredes de poco espesor, proporcionan un excelente rendimiento eléctrico y excelentes propiedades de protección contra interferencia a conectores electrónicos así como a protecciones, chasis y bastidores para equipos de telecomunicación e informáticos de mano. Los complejos componentes de pequeño tamaño, producidos mediante tecnología de fundición a presión en múltiples movimientos, se utilizan en numerosas aplicaciones, incluyendo las antenas de teléfonos móviles, ordenadores portátiles, unidades de disco, mecanismos de bloqueo de precisión, disipadores térmicos, obturadores de cámaras fotográficas y muchas otras aplicaciones eléctricas y electrónicas de consumo. 7.1 Características de las aleaciones de zinc • Alta resistencia y dureza U T N i a n o s . c o m . a r U.T.N. – F.R.G.P. DISEÑO DE PIEZAS INYECTADAS A PRESION Ing. Juan A. Fructuoso DISEÑO MECANICO 2008 30 de 40 • Excelente conductividad eléctrica • Alta conductividad térmica • Costo mínimo de materia prima • Alta precisión dimensional y estabilidad • Excelentes posibilidades de espesores de pared • Posibilidad de conformación en frío, lo que facilita la unión • Características de acabado de alta calidad • Extraordinaria resistencia a la corrosión • Plena capacidad de reciclaje Escala relativa: 1 =la más conveniente, 5 =la menos conveniente. • A Resistencia a la ruptura en caliente. Capacidad de una aleación de resistir las tensiones que se generan durante la contracción, cuando se enfría pasando por el cambio de temperatura en que es frágil en caliente. • B Resistencia a los defectos en frío. La capacidad de una aleación de resistir la formación de defectos causados por el enfriamiento tales como derivaciones por enfriamiento, grietas por enfriamiento, remolinos, etc. • C Facilidad y calidad para el mecanizado. Clasificación compuesta basada en la facilidad de corte, características de las virutas, calidad del acabado y duración de las herramientas. • D Facilidad y calidad para aplicación de galvanoplastia. Capacidad de una pieza fundida de aceptar y retener un recubrimiento galvanoplástico aplicado mediante métodos estándar. Los diseñadores de componentes estructurales deben ser conscientes de las limitaciones de fluencia de las aleaciones de zinc, las cuales describimos a continuación. Estas aleaciones presentan una excelente capacidad de amortiguación y atenuación de vibraciones en comparación con las aleaciones de aluminio para piezas fundidas a presión. Aleación de zinc 2 En algunas ocasiones a la aleación de zinc 2 se le llama Kirksite. Esta aleación ofrece la mayor resistencia y dureza de toda la familia. Sin embargo, debido a su alto contenido de cobre (3 %), con el envejecimiento a largo plazo se producen cambios en las propiedades del material. Estos U T N i a n o s . c o m . a r U.T.N. – F.R.G.P. DISEÑO DE PIEZAS INYECTADAS A PRESION Ing. Juan A. Fructuoso DISEÑO MECANICO 2008 31 de 40 cambios incluyen ligeros crecimientos dimensionales (0.0014 mm /mm [pulg / pulg] después de 20 años), menor alargamiento y menor rendimiento ante impactos. Aunque esta aleación presente excelentes características para fundir, ha tenido un uso limitado por los productores de piezas fundidas a presión. Su fluencia está clasificada como mayor que la de otras aleaciones de zinc, y conserva mayores niveles de resistencia y dureza después del envejecimiento a largo plazo. Aleación de zinc 3 La aleación Nº 3 es, por lo general, la primera opción cuando se piensa en el zinc para hacer una pieza fundida a presión, y es la aleación de zinc más ampliamente utilizada en Norteamérica. Su excelente equilibrio de convenientes propiedades físicas y químicas, su excelente colabilidad y estabilidad dimensional a largo plazo son las razones por las que la mayoría de las piezas fundidas a presión están hechas de esta aleación. La aleación Nº 3 también ofrece excelentes características de acabado para tratamientos de galvanoplastia, pintura y cromado. En términos de fundición a presión, es la norma por la cual se clasifica a las otras aleaciones de zinc. En los casos en que se requiera una mayor resistencia, se deben tomar en consideración las otras aleaciones de zinc. Aleación de zinc 5 La aleación Nº 5 es la aleación de zinc más ampliamente utilizada en Europa, y su mayor contenido de cobre trae como resultado una mayor resistencia y dureza, a cambio de cierta pérdida de ductilidad (mayor alargamiento) en comparación con la Aleación 3. Esta reducción de su ductilidad puede afectar su deformación durante las operaciones secundarias tales como el doblado, remachado, embutido o engarce, por lo que debe ser tomada en consideración cuidadosamente por el diseñador. Debido a la gran disponibilidad de la Aleación 3, los ingenieros de componentes, con frecuencia refuerzan los componentes mediante modificaciones de los diseños en vez de utilizar la Aleación 5. Sin embargo, cuando se requiere cierta resistencia a la tracción, se recomiendan las piezas fundidas de la Aleación 5. Las velocidades de fluencia de las Aleaciones 3 y 5 son muy similares, aunque la Aleación 5 tiene mejor resistencia a la fluencia, y las curvas se pueden utilizar para ambas aleaciones. En los casos en que las temperaturas son mayores que la temperatura ambiente normal y el componente tiene que ser diseñado para soportar cargas estructurales, es probable que la Aleación 5 sea una mejor opción. Aleación de zinc 7 La Aleación 7 es una modificación de la Aleación 3, que trae como resultado mejores fluidez, ductilidad y acabado de superficie. En la mayoría de los casos, la Aleación 7 se utiliza en aplicaciones mecánicas especiales, o cuando las piezas fundidas requieren una deformación adicional durante las subsiguientes operaciones de montaje tales como el emboquillado o embutido. Su mayor fluidez también permite fundir paredes de menor espesor. Algunas veces, esta mayor fluidez es aconsejable, especialmente cuando se trata de componentes de detalles complicados, sin embargo, ésta no ofrece consideraciones especiales en cuanto a fundición. Para evitar el exceso de rebaba a lo largo de las líneas de separación de la herramienta, U T N i a n o s . c o m . a r U.T.N. – F.R.G.P. DISEÑO DE PIEZAS INYECTADAS A PRESION Ing. Juan A. Fructuoso DISEÑO MECANICO 2008 32 de 40 es necesario que haya un buen ajuste del molde y un estricto control de los parámetros del proceso de fundición. La gran ductilidad que presenta esta aleación tiene también un efecto sobre el procesamiento, pero principalmente en las operaciones secundarias de corte y desbarbado. Aleación de zinc ZA-8 Las aleaciones ZA contienen mucho más aluminio que el grupo Zamak de aleaciones con designaciones numéricas que representan el porcentaje aproximado de aluminio. La ZA-8 fue desarrollada originalmente como una aleación de molde permanente, que tiene excelentes características de acabado y aplicación de galvanoplastia. Es especialmente adecuada para aplicaciones decorativas. Aunque esta aleación no presenta tan buenas características de fundición como las otras aleaciones de zinc, ofrece una resistencia, dureza y propiedades de fluencia significativamente mayores. En términos de rendimiento mecánico, de todas las aleaciones de zinc, ésta es la que tiene mayor resistencia a la fluencia y la mayor resistencia de todas las aleaciones de zinc para fundición a presión en cámara caliente. Esta es la única aleación ZA que puede ser fundida en cámara caliente. Aleación de zinc ZA27 Debido al alto contenido de aluminio de esta aleación, tiene que ser fundida a presión en cámara caliente. De las aleaciones ZA, esta es la que tiene la mayor resistencia y la menor densidad. De todas las aleaciones a base de zinc que hay en el mercado, la ZA-27 es la que proporciona la mayor resistencia de diseño a los esfuerzos, a altas temperaturas. Esta aleación también tiene excelentes propiedades de resistencia a la fricción y al desgaste. Aleación de zinc AcuZinc5 Esta es una aleación investigada y desarrollada por General Motors, que presenta una resistencia, dureza y fluencia considerablemente mayores debido a su alto contenido de cobre y bajo contenido de aluminio. Esta aleación también tiene excelentes propiedades de resistencia a la fricción. 8 Magnesio El magnesio es el material ideal para aplicaciones donde la ligereza del componente sea prioritaria, ya que tiene la menor densidad de todos los metales estructurales. Como es casi tan ligero como el plástico, el magnesio ofrece la ventaja de una mayor resistencia y rigidez, junto con una protección contra EMI, durabilidad, disipación de calor y plena capacidad de reciclaje inherentes. El mayor potencial del magnesio se encuentra en los dispositivos electrónicos de mano, desde teléfonos móviles hasta reproductores de minidiscos, y desde cámaras hasta PDAs (asistentes digitales personales), especialmente con las necesidades de supresión de emisiones e interferencia que impone la conectividad a Internet. La minimización del peso de los dispositivos de mano es un requisito clave para las protecciones y bastidores de paredes delgadas fundidas con precisión que proporcionen protección contra EMI y características integradas para la colocación de componentes electrónicos. El magnesio también acepta una amplia gama de acabados de moda. U T N i a n o s . c o m . a r U.T.N. – F.R.G.P. DISEÑO DE PIEZAS INYECTADAS A PRESION Ing. Juan A. Fructuoso DISEÑO MECANICO 2008 33 de 40 En informática, el bajo coeficiente de fricción del magnesio le proporciona una clara ventaja sobre los otros materiales para unidades de disco. El magnesio contribuye de forma significativa a las necesidades de ahorro de peso en los componentes de automoción y economía de combustible de los vehículos. 8.1 Características de las aleaciones de magnesio • El más ligero de los metales estructurales • Buena rigidez y relación resistencia-peso • Excelentes propiedades de protección contra EMI • Alta conductividad, tanto eléctrica como térmica • Resiste altas temperaturas de trabajo • Ventajas económicas en comparación con los plásticos • Alta precisión dimensional y estabilidad • Excelentes posibilidades de espesores de pared • Buena resistencia a la corrosión provocada por el medio ambiente • Buenas características de acabado • Plena capacidad de reciclaje Escala relativa: 1 =la más conveniente, 5 =la menos conveniente. • A Resistencia a los defectos en frío. La capacidad de una aleación de resistir la formación de defectos causados por el enfriamiento tales como derivaciones por enfriamiento, grietas por enfriamiento, remolinos, etc. • B Resistencia a la ruptura en caliente. Capacidad de una aleación de resistir las tensiones que se generan durante la contracción, cuando se enfría pasando por el cambio de temperatura en que es frágil en caliente. • C Facilidad y calidad para el mecanizado. Clasificación compuesta basada en la facilidad de corte, características de las virutas, calidad del acabado y duración de las herramientas. • D Facilidad y calidad para aplicación de galvanoplastia. Capacidad de una pieza fundida de aceptar y retener un recubrimiento galvanoplástico aplicado mediante métodos estándar. U T N i a n o s . c o m . a r U.T.N. – F.R.G.P. DISEÑO DE PIEZAS INYECTADAS A PRESION Ing. Juan A. Fructuoso DISEÑO MECANICO 2008 34 de 40 • E Tratamiento de superficie. Capacidad de las piezas fundidas de ser limpiadas con soluciones ácidas estándar y de ser acondicionadas para una mejor adhesión de la pintura. • F Resistencia a altas temperaturas. Clasificación basada en la resistencia a la fluencia a altas temperaturas. • G Experiencia limitada, sólo como orientación. En el caso de todas las aleaciones de magnesio, hay que tomar precauciones especiales al realizar el mecanizado. Los diseñadores de componentes estructurales deben ser conscientes de las limitaciones de fluencia de las aleaciones de magnesio, las cuales describimos a continuación. Cuando vayan a seleccionar la aleación de magnesio apropiada para un entorno específico, es importante que los diseñadores tomen en consideración todos los factores. Además de los efectos causados por el medio ambiente, con el transcurso del tiempo y/o a temperaturas elevadas se produce un cambio en la estructura metalúrgica de la aleación que afecta a sus propiedades mecánicas. Este efecto de envejecimiento surge del hecho de que las piezas fundidas se producen en condiciones de solidificación rápida que no permiten que la aleación alcance el equilibrio (de hecho, las reacciones entre los componentes de la aleación no se han completado). La mejor aleación para una aplicación específica de alta temperatura no puede seleccionarse en base a la resistencia de corto plazo en condiciones normales de funcionamiento. Como la fluencia es un aspecto importante a tomar en consideración en las piezas de magnesio para uso a altas temperaturas, deben conocerse los esfuerzos y los tiempos de funcionamiento tanto para las condiciones extremas como las normales. Por lo tanto, los límites de esfuerzo, tiempo, y deformación permisible durante el funcionamiento, a una temperatura dada, determinan la mejor aleación para cada aplicación. Estas aleaciones presentan una excelente capacidad de amortiguación y atenuación de vibraciones en comparación con las aleaciones de aluminio para piezas fundidas a presión. Aleación de magnesio AZ91D La aleación AZ91D es la aleación de magnesio para piezas fundidas a presión más ampliamente utilizada. Esta aleación de alta pureza tiene una excelente combinación de propiedades mecánicas, resistencia a la corrosión y colabilidad. La resistencia a la corrosión se logra mediante el cumplimiento de límites muy estrictos con relación a tres impurezas metálicas: hierro, cobre y níquel. Éstos están limitados a niveles muy bajos lo que hace necesario que se utilice magnesio primario en la producción de esta aleación. La AZ91 se utiliza poco a altas temperaturas debido a que pierde mucha de su resistencia por encima de aproximadamente 120° C (250° F). Los esfuerzos para mejorar la resistencia a la fluencia de las aleaciones de magnesio para fundición a presión, a temperaturas mayores de 120° C han traído como resultado la introducción de aleaciones que contienen silicio o metales de tierras raras. Aleación de magnesio AM60A La aleación de magnesio AM60A se utiliza en aplicaciones que requieren un buen alargamiento, tenacidad y resistencia a los impactos, combinados con una resistencia razonablemente buena y U T N i a n o s . c o m . a r U.T.N. – F.R.G.P. DISEÑO DE PIEZAS INYECTADAS A PRESION Ing. Juan A. Fructuoso DISEÑO MECANICO 2008 35 de 40 una excelente resistencia a la corrosión. La mayor ductilidad que presenta esta aleación es consecuencia de su bajo contenido de aluminio. Sin embargo, esto también trae como resultado una disminución de su resistencia y una menor colabilidad. 9 Características físicas y termo físicas de las aleaciones para fundir a presión 9.1 Características Físicas Mate rial Aleación Resiste ncia a la tracción (MPa ) Límite aparent e de fluencia 0,2% (Mpa) Límite elástico a compre sión (Mpa a 0,2%) Resiste ncia al impacto (J ) Resiste ncia al corte (Mpa) Resiste ncia a la fatiga (Mpa) Módulo de Young (Gpa) Coefici ente de Poisson Alarga miento % en 50mm Dureza HB Aleación 2 358 283 641 J 48 F 317 58,6 A 85,5 E 0,3 8,0 100 Aleación 3 248- 283 221 414 J K 58 F 214 47,6 A 85,5 E 0,3 10,0 82 Aleación 5 289- 331 269 600 J K 65 F 262 56,5 A 85,5 E 0,3 7,0 91 Aleación 7 283 221 414 J K 54 F 214 47,6 A 85,5 E 0,3 13,0 80 ZA 8 365- 386 290 252 J 32-48 F 275 103 A 85,5 E 0,3 8,0 103 ZA 27 425 371 358 J 5 F 325 145 A 77,9 0,3 2,0- 3,5 118 Z210 280 -- -- -- -- -- -- -- 8,0 90 ACuZinc5 407 338 405 H -- 280 -- 100,7 E 0,3 5,0 118 Zinc Beric 392 -- -- -- -- -- -- -- 8,0 130 AZ91D 230 160 165 G 3 F 138 70 B 45 C 0,35 0,5-3 63 Magn esio AM60A 220 131 11 6 F -- 70 B 45 C 0,35 8,0 62 A380 325 159 -- 3 195 140 A 71 0,33 4,0 83 383 300 131 -- 3 I 200 145 A 71 0,33 3,5 65-90 Alum inio B390 283 242 -- 6 200 140 A 81,3 0,33 1,0 120 Latón C38500 420 228 -- 16 260 -- 100 -- 20,0 135 6.6 Nylon 70 35 103 1 -- -- 3 -- 60,0 -- Plásti co Poliamida 60 62 86 8 -- -- 2,2 -- 60,0 -- REFERENCIAS Valores indicados a temperatura ambiente A Probeta rotativa, ensayo a 5 x 10 8 ciclos B Probeta rotativa, ensayo de acuerdo con DIN50113. La tensión indicada corresponde a 5 x 10 7 ciclos. Se consideran valores bastante conservativos C A 68°F (20°) D A 100°C – 300°C (212° - 572°F) E El módulo elástico varía con los valores de tensión. Usar los valores dados solo como aproximados F Ensayo de barra no entallada, inyectada en matriz, según ASTM E 23 0,25” G 0,1 % H 0,5 % tensión de fluencia, pieza inyectada en cámara caliente I Probeta Charpy no entallada J 0,1 % U T N i a n o s . c o m . a r U.T.N. – F.R.G.P. DISEÑO DE PIEZAS INYECTADAS A PRESION Ing. Juan A. Fructuoso DISEÑO MECANICO 2008 36 de 40 k Tensión DE compresión L Máxima temperatura de servicio limitada por efecto creep 9.2 Características termo físicas Material Aleación Densi-dad (gr/cm 3 ) Tempera- tura de fusión (°C) Tempe- ratura má xima de servicio (°C) Capacidad térmica específica (J /Kg°C) Conduc- tividad térmica (W/m°C) Coefi-ciente de dilatación térmica (μ/m/°C) Conduc- tividad eléctrica (%IACS) Aleación 2 6,7 379-390 80 L 419 105 27,8 25 Aleación 3 6,7 381-387 80 L 419 113 27,4 27 Aleación 5 6,7 380-386 80 L 419 109 27,4 26 Aleación 7 6,7 381-387 80 L 419 113 27,8 27 ZA 8 6,3 375-404 100 435 115 23,2 27,7 ZA 27 5 376-404 100 525 125 26 29,7 Z210 6,9 380-403 80 -- 100 -- -- ACuZinc 5 6,85 402-460 120 340 106 24 26,9 Zinc Beric 6,8 390 80 -- 105 24 -- AZ91D 1,81 468-596 150 L 1050 C 72 D 27 11 Magnesio AM60A 1,8 540-615 130 L 1050 C 62 C 26 12,4 A380 2,7 537-593 150 963 96 21 27 383 2,7 525-570 150 963 100 20 26 Aluminio B390 2,75 507-649 200 963 134 18 27 Latón C38500 8,4 880-900 100 L 380 109 21 26 6.6 Nylon 1,14 -- 75 -- 0,25 80 -- Plástico Poliamida 1,21 -- 120 -- 0,19 66 -- REFERENCIAS Valores indicados a temperatura ambiente C A 68°F (20°) D A 100°C – 300°C (212° - 572°F) L Máxima temperatura de servicio limitada por efecto creep U T N i a n o s . c o m . a r U.T.N. – F.R.G.P. DISEÑO DE PIEZAS INYECTADAS A PRESION Ing. Juan A. Fructuoso DISEÑO MECANICO 2008 37 de 40 10 Vocabulario A Agente antiadherente para el molde Recubrimiento que mejora la calidad de la superficie de la pieza fundida y facilita la extracción de ésta del molde. Ahorrador de metal Macho utilizado principalmente para disminuir la cantidad de metal en una pieza fundida y para evitar secciones de excesivo espesor. Aleación Sustancia que tiene propiedades metálicas y que está compuesta por dos o más elementos químicos de los cuales al menos uno es un metal. Aleación, primaria Cualquier aleación para fundición a presión, cuyo componente principal ha sido refinado directamente a partir del mineral, no de chatarra de metal reciclada. Aleación, secundaria Cualquier aleación para fundición a presión, cuyo componente principal se obtiene a partir de chatarra de metal reciclada. Ampolla Burbuja superficial provocada por la expansión de los gases (generalmente causada por el calentamiento) que quedaron atrapados dentro de la pieza fundida o debajo del recubrimiento Análisis de flujo Simulación por ordenador para hacer un modelo de cómo fluye, se enfría y solidifica el metal fundido en un molde. Ángulo de desmoldeo Sesgo que se da a paredes, machos y otras partes de la cavidad del molde para permitir la fácil eyección de la pieza. Anodizado Someter a un metal a una acción electrolítica como el ánodo de una celda, para revestirlo con una película protectora o decorativa. C Canal de colada Paso en el molde que conecta los caños de colada o los orificios del émbolo de un molde con la compuerta, por donde el metal fundido penetra en la cavidad o cavidades. Cavidad Depresión o impresión en un molde en el que se forma la pieza fundida. CNC Control Numérico Computerizado es un sistema que utiliza un ordenador dedicado como unidad de control de la máquina. Colada Segmento del ciclo de fundición en el que el metal fundido es introducido a presión en el molde. Compuerta Paso para el metal fundido, que conecta el canal de colada con una cavidad del molde. También, todo el contenido expulsado de un molde, incluyendo las piezas fundidas, las compuertas, los canales de colada, mazarota (o galleta) y la rebaba. Contracción, por solidificación Reducción dimensional que acompaña al endurecimiento (solidificación) del metal que pasa del estado fluido al estado sólido. Corredera Porción del molde diseñada para que se desplace en paralelo a la línea de división del molde. El extremo interior forma parte de la pared de la cavidad del molde que tiene una o más muescas guía y, algunas veces, incluye uno o varios machos. Corte sesgado Depresión en la pared lateral, u orificio hecho mediante la inserción de un macho en una pieza fundida, para sujetar la pieza durante la apertura de las matrices. Se necesita una corredera o forma especial de macho (como por ejemplo un macho de extracción) para permitir la eyección de la pieza del molde. CPM Ciclos por minuto, expresan la velocidad de una máquina de fundición a presión en términos de la cantidad de coladas (que pueden ser de múltiples cavidades) hechas por minuto. Crisol Recipiente en el que se funde la aleación de metal. Cuarteamiento Pequeñas grietas sobre la superficie de un molde, que producen las correspondientes venas levantadas en las piezas fundidas a presión. Provocadas por el repetido calentamiento de la superficie del molde causado por la inyección de las aleaciones fundidas. U T N i a n o s . c o m . a r U.T.N. – F.R.G.P. DISEÑO DE PIEZAS INYECTADAS A PRESION Ing. Juan A. Fructuoso DISEÑO MECANICO 2008 38 de 40 E EDM Electro erosión por chispas o mecanizado electro erosivo es un proceso para rebajar el metal utilizando chispas. En este proceso, un electrodo conformado crea una cavidad que es una copia fiel del electrodo. EDM con alambre Similar al mecanizado electro erosivo, pero utilizando un electrodo de alambre, como sierra de vaivén, para crear patrones lineales en el acero. Émbolo Ariete o pistón que empuja el metal fundido hacia el interior de un molde. Envejecimiento Modificación de la estructura metalúrgica de una aleación, que tiene lugar durante un período de tiempo posterior a la colada y afecta las propiedades del material y las dimensiones del componente. Se acelera mediante un calentamiento moderado. Erosión de la compuerta Daño al molde, causado por la alta temperatura a largo plazo y la alta velocidad del torrente de metal fundido que entra en la cavidad. Estabilidad dimensional Capacidad de un componente de conservar su forma y dimensiones durante un período prolongado de trabajo. Excoriación Desprendimiento de partículas de una superficie metálica, causado por fricción por deslizamiento. F Fatiga Fenómeno que lleva a la fractura cuando la pieza es sometida a esfuerzos continuos o fluctuantes, que tiene un valor máximo menor que la resistencia a la tracción del material. Fatiga, térmica Agrietamiento (o fisuración) de la superficie de la cavidad del molde de fundición a presión. Es causada por la dilatación y contracción de la superficie exterior de la cavidad, que se produce cada vez que se inyecta metal fundido en el molde. Filete Unión curva de dos superficies, por ejemplo, paredes que se tocarían en ángulo de aristas vivas. Fluencia Deformación continua de un material durante el transcurso del tiempo, cuando es sometido a un esfuerzo constante, y dependiente de la temperatura y del esfuerzo inicial. Fresado con láser Técnica de fabricación de herramientas mediante la cual se rebaja metal del molde utilizando rayos láser. G Galleta Exceso de metal vertido con cuchara de colada que permanece en el contenedor de una máquina de fundición a presión en cámara fría. Forma parte de la colada y es extraída del molde junto con la pieza. Galvanoplastia en tambor Proceso de recubrimiento en el cual las piezas son tratadas a granel en un recipiente rotatorio. H Horno Recipiente en el que se funde la aleación de metal. HSM El fresado a alta velocidad (HSM) elimina acero del molde utilizando altas velocidades del eje vertical y altas velocidades de avance. Es una alternativa al EDM. U T N i a n o s . c o m . a r U.T.N. – F.R.G.P. DISEÑO DE PIEZAS INYECTADAS A PRESION Ing. Juan A. Fructuoso DISEÑO MECANICO 2008 39 de 40 I Impresión Cavidad en un molde. También, la marca o depresión que deja la bola, o punta de penetración de un comprobador de dureza. Inserto Pedazo de material, generalmente metal, que se coloca en un molde antes de cada colada. Cuando el metal derretido se funde alrededor del inserto, éste se convierte en parte integral de la pieza fundida a presión. Inserto de molde Calzo o pieza desmontable del cuerpo de un molde. Inyección Proceso de introducir a presión el metal fundido en un molde. L Línea de agua Tubería o paso a través del cual se hace circular agua para refrigerar el molde Línea de división Marca que queda en una pieza fundida, en la zona correspondiente al punto donde se unen las dos mitades del molde; también, la superficie de unión entre las porciones de la tapa y del eyector del molde. Lingote Metal o aleación fundido en una forma conveniente para el almacenamiento, transporte y refusión. Lubricante de molde Fórmulas líquidas que se aplican en el molde para facilitar la separación de las piezas fundidas y evitar que se peguen. M Macho, fijo Macho que, cuando el molde se abre y cierra, no se mueve en relación con el bloque de la cavidad en el que está montado. Macho, móvil Macho que tiene que desplazarse a lo largo de cierto recorrido cuando se abre el molde, o inmediatamente después de que el molde se haya abierto, para permitir la libre eyección de la pieza fundida. Máquinas de cámara caliente Máquinas de fundición a presión que tienen el émbolo y el sifón (cámara de presión del metal) sumergidos en el metal fundido que se encuentra en el horno de mantenimiento. Máquina de cámara fría Máquina de fundición a presión diseñada para que ni la cámara ni el émbolo metálicos estén continuamente sumergidos en el metal fundido. Marca de contracción Depresión superficial que algunas veces aparece cerca de una sección pesada que se enfría más lentamente que las zonas adyacentes. Marcas del eyector Marcas que dejan los expulsores en las piezas fundidas. Mazarota Metal que llena el paso cónico (caño de colada) que conecta la tobera con los canales de colada. Molde Bloque de metal utilizado en el proceso de fundición a presión, que incorpora la cavidad o las cavidades que dan forma al componente, el sistema de distribución del metal fundido, y medios para la refrigeración y eyección de la pieza fundida. Molde combinado Molde con dos o más cavidades diferentes en las que se producen piezas diferentes. Molde múltiple Molde que tiene más de una impresión duplicada. Molde unitario Molde intercambiable con otros en un porta molde común. N Noyo Macho, por lo general, de sección circular. Los noyos son pasadores de acero para herramientas trabajados en caliente, por lo general H-13, utilizados para el orificio de un macho en el molde de fundición a presión, que pueden ser fijos o móviles. U T N i a n o s . c o m . a r U.T.N. – F.R.G.P. DISEÑO DE PIEZAS INYECTADAS A PRESION Ing. Juan A. Fructuoso DISEÑO MECANICO 2008 40 de 40 P Palanca Mecanismo de conexión empleado para multiplicar mecánicamente la presión al cerrar las matrices de una máquina de fundición. Pasador posicionador Pasador guía que garantiza la alineación entre cavidades de las dos mitades del molde. Piel de la pieza fundida a presión Metal de la superficie de una pieza fundida a presión, que tiene aproximadamente 0,8 mm de espesor y se caracteriza por una estructura de granos finos y por estar libre de porosidad. Porosidad Vacíos o poros producidos por los gases atrapados, o por la contracción durante la solidificación. Portamolde Bloque grande de acero que forma la base para una mitad del molde para fundir a presión. Todos los otros componentes del molde están unidos a o montados sobre el portamolde. Puerto Abertura a través de la cual el metal fundido penetra al cilindro de inyección. R Rebaba Membrana a aleta delgada de metal que se forma en una pieza fundida, en la zona correspondiente a la línea de separación del molde, respiraderos y alrededor de los machos móviles. Este exceso de metal se debe a las holguras de trabajo y funcionamiento de molde. Rebosadero Depresión en el molde, conectada a la cavidad del molde por medio de una compuerta, para ayudar a la adecuada expulsión de los gases. Respiradero Paso estrecho en la línea de división del molde, que permite la salida del aire de la cavidad del molde a medida que éste se va llenando de metal fundido. Ritmo de fundición Cantidad media de coladas que pueden hacerse durante una hora de trabajo continuo S Sifón Canalón que conecta un crisol o cámara de metal con una tobera o caño de colada del molde, que contiene un paso a través del cual el metal fundido es empujado a presión en dirección al molde. Es el mecanismo de inyección de metal de la máquina de fundición a presión en cámara caliente. Soldadura Adherencia del metal fundido a partes del molde. T Tiempo de llenado de la cavidad El período de tiempo necesario para llenar la cavidad con el metal fundido después de que éste comience a penetrar en la cavidad. Tobera Extremo de salida de un sifón, o el racor tubular que une el sifón con el caño de colada. Troquel de desbarbado Troquel para cortar o rebajar la rebaba de una pieza fundida a presión. V Vacío Poro grande u orificio dentro de la pared de una pieza fundida, por lo general provocado por gases que han quedado atrapados. Vaso de fusión Recipiente en el que se funde la aleación de metal. U T N i a n o s . c o m . a r