La fundición a presión es un proceso de fundición de metal que se caracteriza por forzar el metal fundido bajo alta presión hacia la cavidad de un molde . La cavidad del molde se crea utilizando dos troqueles de acero endurecido para herramientas que han sido mecanizados para darles forma y funcionan de manera similar a un molde de inyección durante el proceso. La mayoría de las piezas fundidas a presión están hechas de metales no ferrosos , específicamente aleaciones a base de zinc , cobre , aluminio , magnesio , plomo , peltre y estaño . Dependiendo del tipo de metal que se va a fundir, se utiliza una máquina de cámara fría o caliente.
El equipo de fundición y las matrices metálicas representan grandes costos de capital y esto tiende a limitar el proceso a una producción de gran volumen. La fabricación de piezas mediante fundición a presión es relativamente sencilla e implica sólo cuatro pasos principales, lo que mantiene bajo el coste incremental por artículo. Es especialmente adecuado para una gran cantidad de piezas fundidas de tamaño pequeño a mediano, razón por la cual la fundición a presión produce más piezas que cualquier otro proceso de fundición. [1] Las piezas fundidas a presión se caracterizan por un muy buen acabado superficial (según los estándares de fundición) y consistencia dimensional.
El equipo de fundición a presión se inventó en 1838 con el fin de producir tipos móviles para la industria gráfica . La primera patente relacionada con la fundición a presión se concedió en 1849 para una pequeña máquina manual destinada a la producción mecanizada de tipos de impresión. En 1885, Ottmar Mergenthaler inventó la máquina linotipia , que fundía una línea completa de tipos como una sola unidad, mediante un proceso de fundición a presión . Reemplazó casi por completo la configuración manual en la industria editorial. La máquina de fundición a presión Soss, fabricada en Brooklyn, Nueva York, fue la primera máquina que se vendió en el mercado abierto de Norteamérica. [2] Otras aplicaciones crecieron rápidamente, y la fundición a presión facilitó el crecimiento de bienes de consumo y electrodomésticos, al reducir en gran medida el costo de producción de piezas complejas en grandes volúmenes. [3] En 1966, [4] General Motors lanzó el proceso Acurad . [5]
Las principales aleaciones de fundición a presión son: zinc , aluminio, magnesio, cobre, plomo y estaño; Aunque es poco común, también es posible la fundición a presión ferrosa . [6] Las aleaciones de fundición a presión específicas incluyen: zinc-aluminio ; aluminio según, por ejemplo, las normas de la Asociación del Aluminio (AA): AA 380, AA 384, AA 386, AA 390; y magnesio AZ91D. [7] A continuación se muestra un resumen de las ventajas de cada aleación: [8]
A partir de 2008 [actualizar], los límites de peso máximo para piezas fundidas de aluminio, latón , magnesio y zinc se estiman en aproximadamente 70 libras (32 kg), 10 lb (4,5 kg), 44 lb (20 kg) y 75 lb (34 kg). respectivamente. [9] A finales de 2019, se utilizaban máquinas prensadoras capaces de fundir a presión piezas individuales de más de 100 kilogramos (220 libras) para producir componentes de chasis de aluminio para automóviles. [10]
El material utilizado define el espesor mínimo de la sección y el calado mínimo requerido para una pieza fundida, como se describe en la siguiente tabla. La sección más gruesa debe tener menos de 13 mm (0,5 pulgadas), pero puede ser mayor. [11]
Hay una serie de características geométricas que se deben considerar al crear un modelo paramétrico de una pieza fundida a presión:
Hay dos tipos básicos de máquinas de fundición a presión: máquinas de cámara caliente y máquinas de cámara fría . [14] Estos se clasifican según la fuerza de sujeción que pueden aplicar. Las clasificaciones típicas están entre 400 y 4000 st (2500 y 25 400 kg). [8]
La fundición a presión en cámara caliente, también conocida como máquinas de cuello de cisne , depende de un charco de metal fundido para alimentar la matriz. Al comienzo del ciclo, el pistón de la máquina se retrae, lo que permite que el metal fundido llene el "cuello de cisne". Luego, el pistón accionado neumático o hidráulico fuerza este metal fuera del cuello de cisne hacia la matriz. Las ventajas de este sistema incluyen tiempos de ciclo rápidos (aproximadamente 15 ciclos por minuto) y la conveniencia de fundir el metal en la máquina de fundición. Las desventajas de este sistema son que se limita a su uso con metales de bajo punto de fusión y que el aluminio no se puede utilizar porque recoge parte del hierro mientras está en el baño fundido. Por lo tanto, las máquinas de cámara caliente se utilizan principalmente con aleaciones a base de zinc, estaño y plomo. [14]
Se utilizan cuando la aleación de fundición no se puede utilizar en máquinas de cámara caliente; Estos incluyen aluminio, aleaciones de zinc con una gran composición de aluminio, magnesio y cobre. El proceso de estas máquinas comienza con la fusión del metal en un horno separado. [15] Luego, una cantidad precisa de metal fundido se transporta a la máquina de cámara fría donde se alimenta a una cámara de perdigones sin calefacción (o cilindro de inyección). Luego, este granalla se introduce en la matriz mediante un pistón hidráulico o mecánico. La mayor desventaja de este sistema es el tiempo de ciclo más lento debido a la necesidad de transferir el metal fundido desde el horno a la máquina de cámara fría. [dieciséis]
En la fundición a presión se utilizan dos matrices; uno se llama "mitad de matriz de cubierta" y el otro "mitad de matriz de expulsión". El lugar donde se encuentran se llama línea de separación . La matriz de cubierta contiene el bebedero (para máquinas de cámara caliente) o el orificio de perdigones (para máquinas de cámara fría), que permite que el metal fundido fluya hacia las matrices; esta característica coincide con la boquilla inyectora en las máquinas de cámara caliente o la cámara de granalla en las máquinas de cámara fría. El troquel expulsor contiene los pasadores expulsores y, por lo general, el corredor , que es el camino desde el bebedero o el orificio de perdigones hasta la cavidad del molde. La matriz de cubierta está fijada a la platina estacionaria o frontal de la máquina de fundición, mientras que la matriz eyectora está unida a la platina móvil. La cavidad del molde se corta en dos insertos de cavidad , que son piezas separadas que se pueden reemplazar con relativa facilidad y atornillar en las mitades del molde. [17]
Los troqueles están diseñados para que la pieza fundida terminada se deslice fuera de la mitad de la cubierta del troquel y permanezca en la mitad del expulsor cuando se abren los troqueles. Esto asegura que la pieza fundida será expulsada en cada ciclo porque la mitad eyectora contiene los pasadores eyectores para empujar la pieza fundida fuera de esa mitad del molde. Los pasadores expulsores son impulsados por una placa de pasadores expulsores , que impulsa con precisión todos los pasadores al mismo tiempo y con la misma fuerza, para que la pieza fundida no se dañe. La placa del pasador expulsor también retrae los pasadores después de expulsar la pieza fundida para preparar el siguiente disparo. Debe haber suficientes pasadores expulsores para mantener baja la fuerza total sobre cada pasador, porque la pieza fundida aún está caliente y puede dañarse con una fuerza excesiva. Los pasadores todavía dejan una marca, por lo que deben ubicarse en lugares donde estas marcas no obstaculicen el propósito del molde. [17]
Otros componentes del troquel incluyen núcleos y correderas . Los núcleos son componentes que normalmente producen agujeros o aberturas, pero también se pueden utilizar para crear otros detalles. Hay tres tipos de núcleos: fijos, móviles y sueltos. Los núcleos fijos son aquellos que están orientados paralelos a la dirección de tracción de los troqueles (es decir, la dirección en la que se abren los troqueles), por lo tanto, están fijos o unidos permanentemente al troquel. Los núcleos móviles son aquellos que están orientados de cualquier otra manera que no sea paralela a la dirección de tracción. Estos núcleos deben retirarse de la cavidad del troquel después de que el disparo se solidifique, pero antes de que los troqueles se abran, utilizando un mecanismo separado. Los portaobjetos son similares a los núcleos móviles, excepto que se utilizan para formar superficies socavadas . El uso de núcleos y correderas móviles aumenta considerablemente el coste de las matrices. [17] Los núcleos sueltos, también llamados pick-outs , se utilizan para moldear elementos intrincados, como agujeros roscados . Estos núcleos sueltos se insertan manualmente en la matriz antes de cada ciclo y luego se expulsan con la pieza al final del ciclo. A continuación, el núcleo debe retirarse a mano. Los núcleos sueltos son el tipo de núcleo más caro debido a la mano de obra adicional y al mayor tiempo de ciclo. [11] Otras características de los troqueles incluyen conductos de refrigeración por agua y respiraderos a lo largo de las líneas de separación . Estos respiraderos suelen ser anchos y delgados (aproximadamente 0,13 mm o 0,005 pulgadas), de modo que cuando el metal fundido comienza a llenarlos, el metal se solidifica rápidamente y minimiza los desechos. No se utilizan elevadores porque la alta presión garantiza una alimentación continua de metal desde la puerta. [18]
Las propiedades materiales más importantes de las matrices son la resistencia al choque térmico y el ablandamiento a temperaturas elevadas; Otras propiedades importantes incluyen templabilidad , maquinabilidad , resistencia al control térmico, soldabilidad, disponibilidad (especialmente para matrices más grandes) y costo. La longevidad de una matriz depende directamente de la temperatura del metal fundido y del tiempo del ciclo. [17] Las matrices utilizadas en la fundición a presión generalmente están hechas de aceros para herramientas endurecidos , porque el hierro fundido no puede soportar las altas presiones involucradas, por lo que las matrices son muy caras, lo que resulta en altos costos iniciales. [18] Los metales que se funden a temperaturas más altas requieren matrices hechas de aceros de mayor aleación . [19]
El principal modo de falla de las matrices de fundición a presión es el desgaste o la erosión . Otros modos de falla son la comprobación del calor y la fatiga térmica . La comprobación por calor se produce cuando se producen grietas en la superficie del troquel debido a un gran cambio de temperatura en cada ciclo. La fatiga térmica se produce cuando se producen grietas en la superficie del troquel debido a una gran cantidad de ciclos. [20]
Los siguientes son los cuatro pasos de la fundición a presión tradicional , también conocida comofundición a presión de alta presión ,[5]estas también son la base para cualquiera de las variaciones de fundición a presión: preparación, llenado, expulsión y sacudida del molde. Los troqueles se preparan rociando la cavidad del molde con lubricante. El lubricante ayuda a controlar la temperatura del troquel y también ayuda a retirar la pieza fundida. Luego se cierran las matrices y se inyecta metal fundido en las matrices a alta presión; entre 10 y 175megapascales(1.500 y 25.400 psi). Una vez llena la cavidad del molde, se mantiene la presión hasta que la pieza solidificada. Luego se abren los troqueles y los pasadores expulsores expulsan la granalla (las perdigones son diferentes de las piezas fundidas porque puede haber múltiples cavidades en una matriz, lo que produce múltiples piezas fundidas por disparo). Finalmente, la sacudida implica separar la chatarra, que incluye lapuerta,los patines,los bebederosyel flash, del disparo. Esto a menudo se hace usando un troquel especial en una prensa eléctrica o hidráulica. Otros métodos de sacudida incluyen serrar y esmerilar. Un método que requiere menos mano de obra es tirar perdigones si las puertas son delgadas y se rompen fácilmente; Debe seguir la separación de las puertas de las piezas terminadas. Esta chatarra se recicla mediante refundición.[14]El rendimiento es aproximadamente del 67%.[22]
La inyección a alta presión conduce a un llenado rápido del troquel, lo cual es necesario para que toda la cavidad se llene antes de que solidifique cualquier parte de la pieza fundida. De esta manera se evitan discontinuidades , incluso si la forma requiere secciones delgadas difíciles de rellenar. Esto crea el problema de atrapamiento de aire, porque cuando el molde se llena rápidamente hay poco tiempo para que el aire escape. Este problema se minimiza al incluir respiraderos a lo largo de las líneas de separación; sin embargo, incluso en un proceso altamente refinado todavía habrá algo de porosidad en el centro de la pieza fundida. [23]
La mayoría de los fundidores realizan otras operaciones secundarias para producir características que no se pueden moldear fácilmente, como perforar un agujero, pulir, enchapar, pulir o pintar.
Después de sacudir la pieza fundida, se inspecciona para detectar defectos. Los defectos más comunes son errores de funcionamiento y cierres en frío . Estos defectos pueden ser causados por matrices frías, baja temperatura del metal, metal sucio, falta de ventilación o demasiado lubricante. Otros posibles defectos son porosidad de gas, porosidad de contracción , desgarros calientes y marcas de flujo. Las marcas de flujo son marcas que quedan en la superficie de la pieza fundida debido a una mala entrada, esquinas afiladas o exceso de lubricante. [24]
Los lubricantes a base de agua son el tipo de lubricante más utilizado por razones de salud, medio ambiente y seguridad. A diferencia de los lubricantes a base de solventes, si el agua se trata adecuadamente para eliminar todos los minerales, no dejará ningún subproducto en los troqueles. Si el agua no se trata adecuadamente, los minerales pueden provocar defectos y discontinuidades en la superficie.
Hoy en día se utilizan emulsiones "agua en aceite" y "aceite en agua" , porque, cuando se aplica el lubricante, el agua enfría la superficie del troquel al evaporarse, depositando así el aceite que ayuda a liberar la granalla. Una mezcla común para este tipo de emulsión es treinta partes de agua por una parte de aceite, sin embargo en casos extremos se utiliza una proporción de cien a uno. [25] Los aceites que se utilizan incluyen aceite residual pesado (HRO), grasa animal , grasa vegetal , aceite sintético y todo tipo de mezclas de estos. Los HRO son gelatinosos a temperatura ambiente, pero a las altas temperaturas que se encuentran en la fundición a presión, forman una película delgada. Se añaden otras sustancias para controlar la viscosidad y las propiedades térmicas de estas emulsiones, por ejemplo, grafito , aluminio , mica . Otros aditivos químicos se utilizan para inhibir la oxidación . Además, se añaden emulsionantes para mejorar el proceso de fabricación de la emulsión, por ejemplo, jabón , ésteres de alcohol y óxidos de etileno . [26]
Históricamente, se utilizaban habitualmente lubricantes a base de disolventes, como el combustible diésel y el queroseno . Estos fueron buenos para liberar la pieza del troquel, pero se produjo una pequeña explosión durante cada disparo, lo que provocó una acumulación de carbón en las paredes de la cavidad del molde. Sin embargo, eran más fáciles de aplicar de manera uniforme que los lubricantes a base de agua. [27]
Ventajas de la fundición a presión: [11]
La principal desventaja de la fundición a presión es el altísimo coste de capital . Tanto el equipo de fundición requerido como las matrices y componentes relacionados son muy costosos, en comparación con la mayoría de los demás procesos de fundición. Por lo tanto, para que la fundición a presión sea un proceso económico, se necesita un gran volumen de producción. Otras desventajas son:
Acurad fue un proceso de fundición a presión desarrollado por General Motors a finales de los años 1950 y 1960. El nombre es un acrónimo de preciso, confiable y denso. Fue desarrollado para combinar un relleno estable y una solidificación direccional con los rápidos tiempos de ciclo del proceso tradicional de fundición a presión. El proceso fue pionero en cuatro tecnologías innovadoras para la fundición a presión: análisis térmico , modelado de flujo y llenado, fundiciones a presión tratables térmicamente y de alta integridad, y fundición por compresión indirecta (que se explica a continuación). [5]
El análisis térmico fue el primero realizado para cualquier proceso de fundición. Esto se hizo creando un análogo eléctrico del sistema térmico. Se dibujó una sección transversal de los troqueles en papel Teledeltos y luego se dibujaron sobre el papel las cargas térmicas y los patrones de enfriamiento. Las líneas de agua estaban representadas por imanes de varios tamaños. La conductividad térmica estuvo representada por el recíproco de la resistividad del papel. [5]
El sistema Acurad empleó un sistema de llenado inferior que requería un frente de flujo estable. Se utilizaron procesos de pensamiento lógico y prueba y error porque aún no existía el análisis computarizado; sin embargo, este modelado fue el precursor del modelado computarizado de flujo y relleno. [5]
El sistema Acurad fue el primer proceso de fundición a presión que pudo fundir con éxito aleaciones de aluminio con bajo contenido de hierro, como A356 y A357. En un proceso tradicional de fundición a presión, estas aleaciones se soldarían al molde. De manera similar, las piezas fundidas de Acurad podrían tratarse térmicamente y cumplir con la especificación militar estadounidense MIL-A-21180-D. [5]
Finalmente, el sistema Acurad empleó un diseño patentado de pistón de doble disparo. La idea era utilizar un segundo pistón (ubicado dentro del pistón primario) para aplicar presión después de que la granada se hubiera solidificado parcialmente alrededor del perímetro de la cavidad de fundición y el manguito de granalla. Si bien el sistema no fue muy efectivo, llevó al fabricante de las máquinas Acurad, Ube Industries , a descubrir que era igual de efectivo aplicar suficiente presión en el momento adecuado más adelante en el ciclo con el pistón primario; Esta es una fundición por compresión indirecta. [5]
Cuando no se permite porosidad en una pieza fundida, se utiliza el proceso de fundición sin poros . Es idéntico al proceso estándar, excepto que se inyecta oxígeno en el troquel antes de cada disparo para purgar el aire de la cavidad del molde. Esto hace que se formen pequeños óxidos dispersos cuando el metal fundido llena el troquel, lo que prácticamente elimina la porosidad del gas. Una ventaja adicional a esto es una mayor fuerza. A diferencia de las piezas fundidas a presión estándar, estas piezas fundidas se pueden tratar térmicamente y soldar . Este proceso se puede realizar en aleaciones de aluminio, zinc y plomo. [dieciséis]
En la fundición a presión de alta presión asistida por vacío , también conocida como fundición a alta presión al vacío (VHPDC), [34] una bomba de vacío elimina el aire y los gases de la cavidad de la matriz y del sistema de suministro de metal antes y durante la inyección. La fundición a presión al vacío reduce la porosidad, permite el tratamiento térmico y la soldadura, mejora el acabado de la superficie y puede aumentar la resistencia.
La fundición a presión de inyección directa con colector calentado , también conocida como fundición a presión de inyección directa o fundición a presión sin corredor , es un proceso de fundición a presión de zinc en el que el zinc fundido se fuerza a través de un colector calentado y luego a través de miniboquillas calentadas, que conducen al moldeo. cavidad. Este proceso tiene las ventajas de un menor costo por pieza, mediante la reducción de desechos (mediante la eliminación de bebederos, compuertas y canales) y conservación de energía, y una mejor calidad de la superficie mediante ciclos de enfriamiento más lentos. [dieciséis]
La fundición a presión semisólida utiliza metal que se calienta entre su temperatura líquida y sólida (o temperatura líquida y eutéctica), de modo que quede en un estado "blando". Esto permite piezas más complejas y paredes más delgadas. [ cita necesaria ]
La fundición a baja presión (LPDC) es un proceso desarrollado para mejorar la consistencia y la integridad de las piezas, a costa de un tiempo de ciclo mucho más lento. [35] En LPDC, el material se mantiene en un depósito debajo de la matriz, desde el cual fluye hacia la cavidad cuando aumenta la presión del aire en el depósito. [35] Las presiones típicas oscilan entre 0,3 bar (4,4 psi) y 0,5 bar (7,3 psi). [35] [36] Se pueden aplicar presiones algo más altas (hasta 1 bar (15 psi)) después de que el material esté en la matriz, para trabajarlo en detalles finos de la cavidad y eliminar la porosidad. [35]
Los tiempos de ciclo típicos para un proceso de fundición a presión a baja presión son más largos que los de otros procesos de fundición a presión; un bloque de motor puede tardar hasta quince minutos. [35] Se utiliza principalmente para aluminio, pero también se ha utilizado para acero al carbono. [35]
La fundición a presión integrada se refiere a la integración de alto nivel de múltiples piezas de aleación de aluminio separadas y dispersas a través de una máquina de fundición a presión de gran tonelaje, y luego se forman en 1 o 2 piezas de fundición de aluminio grandes. El equipo de Elon Musk propuso por primera vez este método de procesamiento durante el proceso de fabricación de Tesla , que es el programa Giga Press .
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