En fundición , un patrón es una réplica del objeto que se va a fundir, que se utiliza para formar la cavidad del molde de arena en la que se vierte el metal fundido durante el proceso de fundición. Una vez que se ha utilizado el patrón para formar la cavidad del molde de arena, se retira el patrón y luego se vierte el metal fundido en la cavidad del molde de arena para producir la pieza fundida. El patrón no es consumible y puede reutilizarse para producir más moldes de arena casi indefinidamente.
Debido al hecho de que casi todos los metales se contraen o encogen a medida que baja su temperatura, los patrones de fundición deben ser de mayor tamaño que la fundición real que producirán. La contracción de la fundición de aluminio es de ~1,3%, por ejemplo, por lo que el patrón de una pieza de aluminio fundido se haría un 1,3% más grande que la propia pieza fundida. [1] [2]
Los patrones utilizados en la fundición en arena pueden estar hechos de madera, metal, plástico u otros materiales. Los patrones se fabrican según estándares de construcción exigentes, de modo que puedan durar un período de tiempo razonable, de acuerdo con el grado de calidad del patrón que se construye, y para que proporcionen repetidamente una pieza fundida dimensionalmente aceptable. [3]
La confección de patrones, denominada patronaje (a veces denominada patronaje o patronaje ), es un oficio especializado que se relaciona con los oficios de fabricación de herramientas y troqueles y de moldes , pero que también suele incorporar elementos de carpintería fina . Los patronistas (a veces denominados patronistas de estilo o patronistas ) aprenden sus habilidades a través de aprendizajes y escuelas de oficios a lo largo de muchos años de experiencia. Aunque un ingeniero puede ayudar a diseñar el patrón, suele ser un creador de patrones quien ejecuta el diseño. [4]
Normalmente, los materiales utilizados para la creación de patrones son madera, metal o plástico. También se utilizan cera y yeso de París , pero sólo para aplicaciones especializadas. La madera de pino azucarero es el material más utilizado para los patrones, principalmente porque es suave, liviana y fácil de trabajar. La caoba de Honduras se utilizó para más piezas de producción porque es más dura y duraría más que el pino. Una vez curada adecuadamente, es tan estable como cualquier madera disponible y no está sujeta a deformaciones ni curvaturas. Una vez construido el patrón, la fundición no quiere que cambie de forma. La verdadera caoba de Honduras es más difícil de encontrar ahora debido a la destrucción de las selvas tropicales, por lo que ahora hay una variedad de maderas comercializadas como caoba . Los patrones de fibra de vidrio y plástico han ganado popularidad en los últimos años porque son resistentes al agua y muy duraderos. Los patrones metálicos son duraderos y no sucumben a la humedad, pero son más pesados, más caros y difíciles de reparar una vez dañados. [5]
Los patrones de cera se utilizan en un proceso de fundición alternativo llamado fundición a la cera perdida . Para ello se utiliza una combinación de cera de parafina , cera de abejas y cera de carnauba . En este caso, el "patrón" de cera se funde de la cavidad del molde, que normalmente es un material rígido similar al yeso en lugar de arena, por lo que el "patrón" de cera sólo se puede utilizar una vez. [5]
El yeso de París se suele utilizar para fabricar matrices y moldes maestros, ya que gana dureza rápidamente y tiene mucha flexibilidad en la etapa de fraguado. [5]
El creador de patrones o el ingeniero de fundición decide dónde se colocan los bebederos , los sistemas de compuertas y las bandas con respecto al patrón. Cuando se desea un orificio en una pieza fundida, se puede utilizar un núcleo que defina un volumen o ubicación en una pieza fundida donde el metal no fluirá. A veces se pueden colocar escalofríos sobre una superficie de patrón antes del moldeo, que luego se forman en el molde de arena. Los escalofríos son disipadores de calor que permiten un enfriamiento rápido localizado. Puede desearse el enfriamiento rápido para refinar la estructura del grano o determinar la secuencia de congelación del metal fundido que se vierte en el molde. Debido a que están a una temperatura mucho más fría y, a menudo, son de un metal diferente al que se vierte, no se adhieren a la pieza fundida cuando ésta se enfría. Luego, los escalofríos se pueden recuperar y reutilizar.
El diseño del sistema de alimentación y compuerta se suele denominar metodología o diseño de métodos . Se puede realizar de forma manual o interactiva utilizando un software CAD de uso general, o de forma semiautomática utilizando un software de propósito especial (como AutoCAST ).
Los patrones están hechos de madera, metal, cerámica o plástico duro y varían en complejidad.
Un patrón de una sola pieza, o patrón suelto, es el más simple. Es una réplica de la pieza fundida deseada, normalmente en un tamaño ligeramente mayor para compensar la contracción del metal deseado. Los patrones cerrados conectan una serie de patrones sueltos con una serie de corredores que se separarán después de la sacudida. Los patrones segmentados o de varias piezas crean una pieza fundida en varias piezas que se unirán en el posprocesamiento.
Los patrones de placas de coincidencia son patrones con las partes superior e inferior del patrón, también conocidas como partes de cubierta y de arrastre, montadas en lados opuestos de una tabla. Esta adaptación permite moldear rápidamente patrones a partir del material de moldeo. Una técnica similar llamada patrón de frente y arrastre se utiliza a menudo para grandes piezas fundidas o grandes tiradas de producción: en esta variación, los dos lados del patrón se montan en placas de patrón separadas que pueden conectarse a máquinas horizontales o verticales y moldearse con el material de moldeo. Cuando las líneas de separación entre el frente y el arrastre son irregulares, se puede usar una tabla de seguimiento para soportar patrones sueltos de formas irregulares.
Los patrones de barrido se utilizan para moldes simétricos, que son formas contorneadas que giran alrededor de un eje central o poste a través del material de moldeo. Un patrón de barrido es una forma de patrón de esqueleto: cualquier patrón geométrico que crea un molde al moverse a través del material de moldeo.
El patrón de esqueleto entra en juego cuando toda la configuración hecha de madera o metal es más costosa. Por lo general, se fabrica como una pieza con algunos espacios sin rellenar y esas partes sin rellenar se rellenan o cubren con arena franca o arcilla. Se utiliza una tabla rayada o una tabla tachada para raspar el exceso de arcilla si se aplica a los espacios. Por ejemplo, carcasas de turbinas, codos de tuberías de agua y suelo, cuerpos y cajas de válvulas.
Para compensar cualquier cambio dimensional que ocurra durante el proceso de enfriamiento (sólido), generalmente se hacen concesiones en el patrón. [6]
Casi todos los metales se contraen volumétricamente durante la solidificación, esto se conoce como contracción líquida. Otra forma de decirlo es que casi todos los metales experimentan un aumento de volumen al fundirse, o temperatura líquida. La "contracción de volumen" típica está en el rango entre 3,5% y 10,0%, dependiendo de la aleación. Algunas fundiciones grafíticas, cuando se funden en secciones más pesadas, en condiciones bien controladas, pueden presentar un rendimiento ligeramente positivo. Type Metal también se conoce y se utiliza por su capacidad para mantener un molde fiel y nítido y conservar las dimensiones correctas después del enfriamiento. Normalmente, cuando se fabrican piezas fundidas de ingeniería, el "método" se diseña junto con el patrón, siendo el tamaño de las contrahuellas, el número de contrahuellas y la ubicación de las contrahuellas. Además, los bajantes, las barras de guía y las compuertas también se diseñan en "el método". El "método" garantiza así que se entregue el metal fundido, que el molde se llene correctamente y que los elevadores se llenen para "alimentar" el "volumen de contracción" de líquido a la pieza fundida durante la solidificación. Este "método" lo realiza un "ingeniero de métodos", que puede ser un creador de patrones (con capacitación adicional), un ingeniero fundador o un metalúrgico que esté familiarizado con el concepto de aumento/pérdida de volumen asociado con la fusión y la fundición/solidificación. Ejemplo: supongamos acero con una densidad de 7,85 (sólido) y un 6 % de contracción, o mejor dicho, un aumento de volumen del 6 % cuando se funde. Se ha realizado un molde para fundir un bloque de 100 kg, basándose en la densidad sólida del acero. La densidad líquida del acero es sólo el 94% de su valor de densidad sólida, alrededor de 7,38 cuando es líquido. Así, cuando el bloque de 100 kg (cálculo sólido) se llena con líquido, contiene una masa de sólo 94 kg. Los 6 kg deben ser suministrados desde un "ascendente" o "alimentador" durante la solidificación; por lo tanto, el objeto sólido ahora tiene una masa de 100 kg. El método es un sistema para hacer frente a la pérdida de volumen durante la solidificación. Esto (técnicamente) no es una asignación.
Este tamaño extra que se da en el patrón para la contracción del metal se llama "margen de contracción". Estos valores suelen estar entre 0,6% y 2,5%. Esto se contabiliza utilizando una regla de contracción , que es una regla sobredimensionada . Las reglas de contracción generalmente están disponibles para las aleaciones comunes fundidas industrialmente. Como alternativa, el creador de patrones simplemente agregará un porcentaje designado a todas las dimensiones. Un ejemplo de este margen: si se requiriera que un casquillo tuviera 1500 mm O/D, 1000 mm I/D y 300 mm de alto usando una regla de contracción del 2%: el creador de patrones haría el patrón con 1530 mm O/D (ya que se contraerá). , 1020 I/D (ya que el material tiende a contraerse hacia el centro o centro de gravedad): es importante tener en cuenta que se agrega margen incluso al diámetro interior ya que el material tiende a hacer contacto hacia el centro. [7] El núcleo utilizado está hecho de arena plegable o se le da suficiente espacio hueco en el centro del núcleo para permitir que el metal se expanda. Finalmente, la dimensión de altura sería de 306 mm.
La cantidad de contracción también puede variar ligeramente según el sistema de arena que se utilice para el molde y cualquier núcleo, por ejemplo, arena aglomerada con arcilla, arenas aglutinadas químicamente u otros materiales aglutinantes utilizados dentro de la arena. Los valores exactos pueden variar entre diferentes fundiciones debido a los sistemas de arena que se utilizan. Cada fundición, al medir sus propios patrones y piezas fundidas, puede refinar sus propios márgenes de contracción.
La contracción y la contracción se pueden clasificar nuevamente en contracción líquida y contracción sólida . La contracción del líquido es la reducción de volumen durante el proceso de solidificación (de líquido a sólido), la contracción del líquido se debe a las bandas ascendentes. La contracción sólida es la reducción de dimensiones durante el enfriamiento del metal fundido (sólido). El margen de contracción tiene en cuenta sólo la contracción sólida.
Cuando se va a retirar el patrón del molde de arena, existe la posibilidad de que los bordes principales se rompan o se dañen en el proceso. Para evitar esto, se proporciona una forma cónica en el patrón, para facilitar la fácil extracción del patrón del molde y, por tanto, reducir el daño a los bordes. El ángulo cónico proporcionado se llama ángulo de desmoldeo . El valor del ángulo de inclinación depende de la complejidad del patrón, el tipo de moldura (moldeado a mano o a máquina), la altura de la superficie, etc. La inclinación proporcionada en la pieza fundida suele ser de 1 a 3 grados en las superficies externas (5 a 3 grados). 8 superficies internas). [7]
El acabado superficial obtenido en las piezas fundidas en arena es generalmente deficiente (dimensionalmente inexacto) y, por lo tanto, en muchos casos, el producto fundido se somete a procesos de mecanizado como torneado o rectificado para mejorar el acabado superficial. Durante los procesos de mecanizado se elimina algo de metal de la pieza. Para compensar esto, se debe dejar un margen de mecanizado (material adicional a veces llamado verde) en la pieza fundida. [7] la cantidad de margen de acabado depende del material de la pieza fundida, tamaño de la pieza fundida, volumen de producción, método de moldeado, etc.
Normalmente, durante la extracción del patrón de la cavidad del molde, el patrón se golpea alrededor de todas las caras para facilitar la extracción. En este proceso, se agranda la cavidad final. Para compensar esto, es necesario reducir las dimensiones del patrón. No existen valores estándar para este subsidio, ya que depende en gran medida del personal. Esta asignación es una asignación negativa y una forma común de evitarla es aumentar la asignación de giro. La sacudida del patrón provoca un agrandamiento de la cavidad del molde y da como resultado una pieza fundida más grande. [7]
Durante el enfriamiento del molde, las tensiones desarrolladas en el metal sólido pueden provocar distorsiones en la pieza fundida. Esto es más evidente cuando el molde tiene un ancho más delgado en comparación con su largo. Esto se puede eliminar distorsionando inicialmente el patrón en la dirección opuesta. [6]
Se siguen necesitando patrones para la fundición de metales en arena. Para la producción de piezas fundidas de hierro gris, hierro dúctil y acero, la fundición en arena sigue siendo el proceso más utilizado. En el caso de las piezas fundidas de aluminio, la fundición en arena representa alrededor del 12% del tonelaje total en peso (superada sólo por la fundición a presión con un 57% y los moldes semipermanentes y permanentes con un 19%; basado en envíos de 2006). El proceso exacto y el equipo de patrón siempre están determinados por las cantidades del pedido y el diseño de la fundición. La fundición en arena puede producir tan solo una pieza o hasta un millón de copias.
Aunque las modalidades de fabricación aditiva como SLS o SLM tienen potencial para reemplazar la fundición en algunas situaciones de producción, la fundición todavía está lejos de ser desplazada por completo. Siempre que proporcione propiedades materiales adecuadas a un coste unitario competitivo , seguirá teniendo demanda.
Los tipos comunes de patrones son:
1) Patrón de pieza única
2) Patrón de pieza dividida
3) Patrón de pieza suelta
4) Patrón de puerta
5) Patrón de combinación
6) Patrón de barrido
7) Patrón de frente y arrastre
8) Patrón de esqueleto
9) Patrón de concha 10
) Patrón de seguimiento de tabla
11) Patrón segmentado