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5/11/2018 PROCESOS DE MANUFACTURA - slidepdf.com

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Cálculo del sistema de llenado de un molde de arena para la fabricación de uncarrete para recogida de cable en fundición gris

Material Fundición grisTemperatura de fusión 1250 ºCSobrefusión 150 ºCComposición aproximada C: 3,8%; Si: 3%; Mn: 0,4%; S< 0,02%; P< 0,1%Rendimiento estimado de la fundición 80%Índice de distribución 1 : 0,5 : 0,66

1.- Cálculo del volumen, superficie, peso y módulo de enfriamiento de la pieza

V1 = ((π x 5002)/4) x 100 x 2 = 38 dm3 Volumen total de la pieza VT = V1 + V2 - V3 V2 = ((π x 4002)/4) x 500 x 1 = 62 dm3 V3 = ((π x 3002)/4) x 700 x 1 = 50 dm3 VT = 38 + 62 – 50 = 50 dm3

S1 = (π x 500 x 100 x 2) = 32 dm2 Superficie total de la pieza ST = S1 + S2 + S3 + S4 + S5 S2 = (π x 400 x 500 x 1) = 63 dm2 S3 = (π x 300 x 700 x 1) = 66 dm2 ST = 32 + 63 + 66 + 25 +14 = 200 dm2

S4 = (π x (5002- 3002)/4) x 2 = 25 dm2 S5 = (π x (5002- 4002)/4) x 2 = 14 dm2

Peso de la pieza = Volumen x Peso específico = 50 dm3 x 7,85 Kg/dm3 = 393 Kg.

Módulo de enfriamiento de la pieza MP = VT / ST = 50 dm3 / 200 dm2 = 0,25 dm2.- Cálculo de mazarotas

Departamento de Ingeniería Mecánica de la UPV-EHUArea de Conocimiento de la Ingeniería de los Procesos de Fabricación

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Debido a la contracción del metal durante el enfriamiento se deben prever en el molde unosrebosaderos que se llenan con metal fundido de reserva al objeto de formar una mazarotadestinada a compensar las contracciones o rechupes del metal. La mazarota tiene como finalimentar la pieza cuando en ésta contrae, por lo que el metal debe mantenerse en la mazarota enestado liquido durante un periodo de tiempo mas largo que la pieza. Por este motivo, las mazarotasse suelen recubrir con unos manguitos, compuestos por materiales aislantes y/o exotérmicos, queretardan el enfriamiento del metal contenido en las mazarotas para garantizar su fluidez cuando seproduzcan los rechupes en el metal colado.

El empleo de manguitos exotérmicos alrededor de las mazarotas permite utilizar mazarotas maspequeñas que mejoran el rendimiento de la fundición y reducen la superficie de contacto de lamazarota con la pieza colada, cuya eliminación cuesta dinero. Se conocen manguitos exotérmicosa partir de un material refractario fibroso combinado con una mezcla de materiales, en el que elaluminio es el más usado habitualmente, un agente oxidante y un fundente o agente iniciador de lareacción exotérmica que, habitualmente, es un compuesto fluorado. El metal oxidable, cuando semezcla con el agente oxidante y el fundente y se expone a un calor extremo, se oxida liberandocalor a medida que avanza la reacción. También se conocen manguitos exotérmicos a base dearena, muy apreciados en las fundiciones de hierro dúctil.

Para determinar las dimensiones de lasmazarotas, hay que tener en cuentados reglas:

A.- La regla de las contraccionesB.- La regla de los módulos

Del resultado de la aplicación de estasdos reglas, se toma aquel de mayor

volumen.

A.- Regla de las contracciones

El volumen total de las mazarotas debe ser mayor que el volumen que contrae la pieza en lasolidificación.

VMAZAROTAS = VPIEZA x k x (cv / 100)

cv Coeficiente de contracción volumétrica de la fundición gris k Coeficiente de seguridad

k = 3 para las mazarotas normalesk = 1,5 para las mazarotas exotérmicas

En el caso que nos ocupa % C = 3,8 % cv = 2,5

Además se decide usar mazarota exotérmica

Por lo tanto; VMAZAROTAS = 50 dm3 x 1,5 x (2,5 / 100) = 1,88 dm3

Como hay dos mazarotas, cada una tendrá un volumen de 0,94 dm3

% C cv

2,75 4

3 3,5

3,5 3

3,75 2,5

4 2



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B.- Regla de los módulos

Como norma, el módulo de enfriamiento de la mazarota debe ser mayor que el de la pieza paraque la mazarota permanezca en estado líquido más tiempo que la pieza alimentándola cuando éstase contrae. Sin embargo, si se usan mazarotas exotérmicas, dadas sus características, el módulode éstas puede ser menor que el de la pieza. Así:

Para mazarotas normales M mazarota = 1,2 x M pieza

Para mazarotas exotérmicas M mazarota = 0,8 x M pieza

Como en el caso de la regla de las contracciones se usarán mazarotas exotérmicas

M mazarota = 0,8 x 0,25 dm = 0,20 dm

En este caso se utilizarán dos mazarotas cilíndricas con una altura h mazarota = 1,5 x d pues si seusa h mazarota = d aumentaría ligeramente el módulo de enfriamiento pero también aumenta elriesgo de que el “rechupe” de la mazarota alcance la pieza. Por lo tanto:

h mazarota = 1,5 x d

M mazarota = d / 5

d = 0,20 x 5 = 1 dm = 10 mm

h = 1,5 x 100 = 150 mmVMAZAROTA = ((π x 1002)/4) x 150 = 1,18 dm3 > 0,94 dm3

El volumen de la mazarota necesario para que su enfriamiento más lento que el de la pieza (reglade los módulos), es mayor que el volumen necesario para compensar la contracción.

3.- Cálculo del sistema de distribución

Conocida la altura de las mazarotas, se determina la altura de la caja superior, sumando la alturade la mazarota a la altura de la parte de la pieza que se va a situar en dicha caja. Para piezas

sencillas como la de este caso, lo más recomendable es situar la mitad de la pieza en la cajasuperior, además de las mazarotas, el cono de colada, el bebedero y los canales de distribución.En la caja inferior se situará la otra mitad de la pieza y los ataques. Así:

Altura de la caja superior (500 / 2) + 150 = 400 mm



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3.1.- Tiempo de llenado

Para la fundición gris . Por lo tanto, es preciso estimar el peso total;es decir, el de la pieza más el sistema de distribución. Como aún no se ha dimensionado el sistemade distribución para calcular el peso total se utiliza el rendimiento estimado de la fundición para elcálculo del peso total aproximado.

Peso total = Peso de la pieza / 0,80 = 393 / 0,80 ≅ 490 Kg.

t segundos = RAIZ (cuadrada) (1,24 x 490) ≅ 25 segundos

Sin embargo, por encima de los ataques hay 400 mm de altura por lo que habrá que verificar si eltiempo de llenado calculado es suficiente para evitar defectos superficiales debidos a la dilataciónde la arena. Para ello se utilizan los valores propuestos por Trencklé en la siguiente tabla:

En este caso, el tiempo recomendado para el llenado del molde es de 30 segundos, mayor que elcalculado anteriormente por lo que habrá que utilizar aquel (25 segundos) para evitar que lasolidificación comience antes de llenarse el molde.

3.2.- Caudal medio de llenado

G = V pieza / (Tiempo de llenado) = 50 dm3 / 25 segundos = 2 dm3 /segundo

Si se tiene en cuenta el coeficiente de pérdida de carga c = 0,5 (moldeo en verde, Dismatic), habráque multiplicar el caudal calculado por 1/0,5 = 2 Gm = 2 x 2 = 4 dm3 /segundo

3.3.- Cono de colada

Sus dimensiones tienen que garantizar el flujo de 4 dm3 /segundo. Sin embargo, para facilitar lacolada y para garantizar que el bebedero alimenta suficiente cantidad de líquido, el cono sesobredimensiona de manera que sea capaz de proporcionar un caudal entre 1,5 y 2 veces mayoraunque se sabe que esto perjudica el rendimiento de la fundición. Si se toma factor 2 (coeficientede seguridad), el caudal que el cono deberá ser capaz de garantizar en su parte inferior (sección 2)será GT = Gm x 2 = 4 x 2 = 8 dm3 /segundo.

La altura del cono “h” no debe ser menor que la altura de las mazarotas y debe guardar una

relación con respecto a la altura libre de caída; es decir: H / h = 2÷ 4. En el caso que nos ocupa,H=400 y si h=150 (H / h) = (400 / 150) = 2,66 que queda dentro del rango 2÷4. Por lo tanto se el

cono de colada se proyectará con 150 mm de altura.



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La sección o área del fondo del cono de colada coincide con la de entrada del bebedero (sección 2)y será:

siendo h = 150 mm v2 = 1,7 m.s-1 = 17 dm. s-1

El caudal total se calcula según GT = S2 . v2 S2 = 8 dm3 /segundo / 17 dm. s-1 = 0,47 dm2 S2 = (π x d22) /4 0,47 dm2 = (π x d22) /4d2

= 0,78 dm ≅ 80 mm d2 = 80 mm

3.4.- Bebedero

a/ debe garantizar una velocidad de entrada correcta en el moldeb/ debe permanecer lleno de líquido durante la coladac/ debe garantizar el tiempo de llenado apropiado (25 segundos)

La velocidad de entrada del líquido en el molde v3 depende de la altura de caída libreSiendo H = 400 mm v3 = 2,8 m.s-1 28 dm.s-1

Conviene señalar que, en caso necesario, la altura H puede aumentar hasta 400 + 150 = 550 mmsolo con situar el cono de colada por encima del nivel de la caja superior, de modo que la relaciónH/h sería igual a 550/150 = 3,66, quedando aún dentro del rango 2÷4 por lo que sería admisible. Eneste caso v3 = 3,3 m.s-1 33 dm.s-1 lo que hay que tener en consideración si fuera necesarioaumentar la velocidad de entrada del líquido en el molde.

Hasta el momento se ha tratado la velocidad de entrada del líquido en el molde, sin tener en cuentaque en el momento que empieza a llenarse la parte superior del mismo, el líquido comienza a

ejercer una “contrapresión”, tanto mayor cuanto mayor es el nivel del líquido; esto se traduce enque el líquido entra en el molde con velocidad cada vez menor, por lo que la parte superior delmismo tarda más en llenarse aunque las dos tengan el mismo volumen.

El cálculo del bebedero se empieza por su sección más pequeña que es S3. Esta sección debepermitir el paso de un caudal de 4 dm3 /segundo. Por lo tanto:

Gm = vm x S3 vm = 4 dm3.s-1 / S3 donde vm es la velocidad media de entrada o v3 que secalcula según donde Hc es la altura de carga que es menor que 400 mm debido al efectode la contrapresión o altura ferrostática. La altura de carga se obtiene según la expresión:

Hc = H – (b2 / 2.c) H altura de caída libre (400 mm)b altura de la pieza por encima de los ataques (250 mm)c altura total de la pieza (500 mm)

Si b = c/2 (mitad de la pieza en la caja inferior y la otra mitad en la superior) Hc = H – c/8Si la colada fuese en fuente b = c Hc = H – c/2

En este caso Hc = H – c/8 Hc = 400 – 500/8 = 338 mm

La velocidad media en la sección 3 será v3 = √ 2 x g x 338 = 2572 mm. s-1 = 25,7 dm. s-1

La sección en 3 será S3 = Gm / vm S3 = 4 dm3.s-1 / 25,7 dm. s-1 = 0,156 dm2 = 1560 mm2 S3 = (π x d3

2) /4 1560 mm2 = (π x d32) /4

d3 = 45 mm



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Al situar la parte superior del cono de colada de forma que quede al mismo nivel que la cajasuperior, la altura del bebedero será Hb = 400 – 150 = 250 mm

La ecuación de continuidad exige que el caudal sea el mismo en cada sección de los conductos:

G = S2 v2 = S3 v3 (π x dB2 /4) x = (π x db

2 /4) x

(*) DB = 45 x (400/150)1/4 DB = 58 mm

(*) La expresión corresponde a una parábola por lo que el bebedero ideal debería tener formaparabólica pero, en la práctica, es muy difícil de conseguir, por lo que se sustituye por un tronco decono de diámetros DB y db y altura Hb.

En ocasiones, para no realizar los cálculos anteriores, se aplican las fórmulas:

DB = db + 6% Hb DB = 45 + 0,06 x 250 = 60 mm

3.5.- Canal de distribución

El canal de distribución se dimensionaa partir de la sección menor delbebedero y del índice de distribuciónque en este caso es:

1 : 0,5 : 0,66

Esto nos indica que la sección total del

canal de distribución debe ser el dobleque la sección mínima del bebedero y,como el canal tiene dos ramas iguales,una a cada lado del bebedero, lasección de cada rama será igual a la del bebedero en su parte más estrecha; es decir 1560 mm 2.Como la forma recomendada de los canales de distribución es trapecial con la base mayor dobleque la menor.

Base mayor = db = 45 mm base menor = 22,5 mm

Área de un trapecio A = ((B+b)/2) x hCD = 1560 mm2 hCD = 46 mm

Es conveniente que el canal de distribución sea algo más largo que la pieza pues resulta máseficaz para retener la escoria e impedir que ésta penetre en la pieza.

LCD = Lpieza + 2 x 50 = 700 + 100 = 800 mm

3.6.- Ataques

Según el índice de distribución, los ataques (la suma de los dos) deben tener una sección 1,5veces la del bebedero en su sección menor, por lo que cada ataque tendrá una sección igual a:(1,5 x 1560 mm2) / 2 = 1170 mm2. La forma recomendada para los ataques es la rectangular conuna relación aproximada Base = 4 x Altura Base = 68 mm; Altura = 17 mm. La longitud de losataques también debe prolongarse más allá del canal de distribución para recoger la escoria.

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