La fundición a presión es un proceso de fundición de metales que se caracteriza por introducir a presión el metal fundido en una cavidad de molde . La cavidad de molde se crea utilizando dos matrices de acero endurecido que se han mecanizado para darle 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 zinc , cobre , aluminio , magnesio , plomo , peltre y aleaciones a base de estaño . Según el tipo de metal que se esté fundiendo, 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 la producción de gran volumen. La fabricación de piezas mediante fundición a presión es relativamente sencilla, ya que implica solo cuatro pasos principales, lo que mantiene bajo el costo incremental por artículo. Es especialmente adecuado para una gran cantidad de piezas de fundición de tamaño pequeño a mediano, por lo que la fundición a presión produce más piezas que cualquier otro proceso de fundición. [1] Las piezas de fundición a presión se caracterizan por un acabado superficial muy bueno (según los estándares de fundición) y una consistencia dimensional.
El equipo de fundición a presión se inventó en 1838 con el propósito de producir tipos móviles para la industria de la impresión . La primera patente relacionada con la fundición a presión se concedió en 1849 para una pequeña máquina operada a mano con el propósito de la producción mecanizada de tipos de impresión. En 1885, Ottmar Mergenthaler inventó la máquina Linotype , que fundía una línea completa de tipos como una sola unidad, utilizando un proceso de fundición a presión . Reemplazó casi por completo la composición de tipos a mano 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 en América del Norte. [2] Otras aplicaciones crecieron rápidamente, y la fundición a presión facilitó el crecimiento de los bienes de consumo y los electrodomésticos, al reducir en gran medida el costo de producción de piezas intrincadas 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 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 presenta un resumen de las ventajas de cada aleación: [8]
A partir de 2008 [actualizar], los límites de peso máximos para fundiciones de aluminio, latón , magnesio y zinc se estimaron en aproximadamente 70 libras (32 kg), 10 libras (4,5 kg), 44 libras (20 kg) y 75 libras (34 kg), respectivamente. [9] A fines de 2019, se estaban utilizando máquinas de prensado capaces de fundir a presión piezas individuales de más de 100 kilogramos (220 lb) para producir componentes de chasis de aluminio para automóviles. [10]
El material utilizado define el espesor mínimo de la sección y el ángulo de desmoldeo mínimo requeridos para una pieza fundida, como se indica en la siguiente tabla. La sección más gruesa debe ser inferior a 13 mm (0,5 pulgadas), pero puede ser mayor. [11]
Hay una serie de características geométricas que se deben tener en cuenta al crear un modelo paramétrico de una pieza fundida a presión:
Existen dos tipos básicos de máquinas de fundición a presión: las máquinas de cámara caliente y las máquinas de cámara fría . [14] Estas se clasifican según la cantidad de fuerza de sujeción que pueden aplicar. Las clasificaciones típicas están entre 400 y 4000 st (2500 y 25 400 kg). [8]
Las máquinas de fundición a presión en cámara caliente, también conocidas como máquinas de cuello de cisne , dependen de un baño 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". A continuación, el pistón accionado neumáticamente o hidráulicamente fuerza a este metal a salir del cuello de cisne hacia la matriz. Las ventajas de este sistema incluyen tiempos de ciclo rápidos (aproximadamente 15 ciclos por minuto) y la comodidad de fundir el metal en la máquina de fundición. Las desventajas de este sistema son que está limitado a su uso con metales de bajo punto de fusión y que no se puede utilizar aluminio porque absorbe parte del hierro mientras está en el baño de fundición. 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; entre ellas se incluyen las aleaciones de aluminio y zinc con una gran composición de aluminio, magnesio y cobre. El proceso de estas máquinas comienza con la fusión del metal en un horno independiente. [15] A continuación, se transporta una cantidad precisa de metal fundido a la máquina de cámara fría, donde se introduce en una cámara de granalla sin calentar (o cilindro de inyección). A continuación, esta 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 del horno a la máquina de cámara fría. [16]
En la fundición a presión se utilizan dos matrices; una se denomina "mitad de matriz de cubierta" y la otra "mitad de matriz de expulsión". El punto de encuentro se denomina línea de separación . La matriz de cubierta contiene el bebedero (para máquinas de cámara caliente) o el orificio de granalla (para máquinas de cámara fría), que permite que el metal fundido fluya hacia las matrices; esta característica coincide con la boquilla del inyector en las máquinas de cámara caliente o la cámara de granalla en las máquinas de cámara fría. La matriz de expulsión contiene los pasadores de expulsión y, por lo general, el canal , que es el camino desde el bebedero o el orificio de granalla hasta la cavidad del molde. La matriz de cubierta está asegurada a la platina estacionaria o frontal de la máquina de fundición, mientras que la matriz de expulsión 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 de la matriz. [17]
Las matrices están diseñadas de manera que la pieza fundida terminada se deslice fuera de la mitad de la cubierta de la matriz y permanezca en la mitad del eyector cuando se abren las matrices. Esto asegura que la pieza fundida será expulsada en cada ciclo porque la mitad del eyector contiene los pasadores eyectores para empujar la pieza fundida fuera de esa mitad de la matriz. Los pasadores eyectores son accionados por una placa de pasadores eyectores , que acciona con precisión todos los pasadores al mismo tiempo y con la misma fuerza, de modo que la pieza fundida no se dañe. La placa de pasadores eyectores también retrae los pasadores después de expulsar la pieza fundida para prepararla para la siguiente inyección. Debe haber suficientes pasadores eyectores para mantener baja la fuerza general sobre cada pasador, porque la pieza fundida todavía está caliente y puede dañarse con una fuerza excesiva. Los pasadores aún dejan una marca, por lo que deben ubicarse en lugares donde estas marcas no obstaculicen el propósito de la pieza fundida. [17]
Otros componentes de la matriz incluyen núcleos y correderas . Los núcleos son componentes que generalmente producen agujeros o aberturas, pero también se pueden usar para crear otros detalles. Hay tres tipos de núcleos: fijos, móviles y sueltos. Los núcleos fijos son los que están orientados en paralelo a la dirección de tracción de las matrices (es decir, la dirección en la que se abren las matrices), por lo tanto, están fijos o permanentemente unidos a la matriz. Los núcleos móviles son los que están orientados de cualquier otra manera que no sea paralela a la dirección de tracción. Estos núcleos deben retirarse de la cavidad de la matriz después de que la granalla se solidifique, pero antes de que las matrices se abran, utilizando un mecanismo separado. Las correderas son similares a los núcleos móviles, excepto que se utilizan para formar superficies socavadas . El uso de núcleos móviles y correderas aumenta en gran medida el costo de las matrices. [17] Los núcleos sueltos, también llamados pick-outs , se utilizan para fundir características intrincadas, como agujeros roscados . Estos núcleos sueltos se insertan en la matriz a mano antes de cada ciclo y luego se expulsan con la pieza al final del ciclo. Luego, 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 aumento del tiempo de ciclo. [11] Otras características de las matrices 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 compuerta. [18]
Las propiedades materiales más importantes para las matrices son la resistencia al choque térmico y el ablandamiento a temperaturas elevadas; otras propiedades importantes incluyen templabilidad , maquinabilidad , resistencia al agrietamiento por calor, 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 tanto, las matrices son muy caras, lo que resulta en altos costos de puesta en marcha. [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 el agrietamiento por calor y la fatiga térmica . El agrietamiento por calor se produce cuando se producen grietas superficiales en la matriz debido a un gran cambio de temperatura en cada ciclo. La fatiga térmica se produce cuando se producen grietas superficiales en la matriz debido a una gran cantidad de ciclos. [20]
Los siguientes son los cuatro pasos de la fundición a presión tradicional , también conocida comofundición a alta presión ,[5]estos también son la base para cualquiera de las variaciones de fundición a presión: preparación de la matriz, llenado, expulsión y sacudida. Las matrices se preparan rociando la cavidad del molde con lubricante. El lubricante ayuda a controlar la temperatura de la matriz y también ayuda en la extracción de la fundición. Luego, las matrices se cierran y se inyecta metal fundido en las matrices a alta presión; entre 10 y 175megapascales(1500 y 25 400 psi). Una vez que se llena la cavidad del molde, se mantiene la presión hasta que la fundición se solidifica. Luego, las matrices se abren y la granalla (las granallas son diferentes de las fundiciones porque puede haber múltiples cavidades en una matriz, lo que produce múltiples fundiciones por granalla) es expulsada por los pasadores expulsores. Finalmente, la sacudida implica separar la chatarra, que incluye lacompuerta,los canales,las mazarotasyla rebaba, de la granalla. Esto a menudo se hace utilizando una matriz de recorte especial en una prensa mecánica o una prensa hidráulica. Otros métodos de desbaste incluyen el aserrado y el pulido. Un método que requiere menos mano de obra es el de voltear las granallas si las compuertas son delgadas y se rompen fácilmente; a continuación, es necesario separar las compuertas de las piezas terminadas. Esta chatarra se recicla mediante su refundición.[14]El rendimiento es de aproximadamente el 67 %.[22]
La inyección a alta presión permite un llenado rápido del molde, lo que es necesario para que toda la cavidad se llene antes de que se solidifique cualquier parte de la pieza fundida. De esta manera, se evitan las discontinuidades , incluso si la forma requiere secciones delgadas difíciles de llenar. Esto crea el problema de la retención de aire, porque cuando el molde se llena rápidamente hay poco tiempo para que el aire escape. Este problema se minimiza incluyendo respiraderos a lo largo de las líneas de separación; sin embargo, incluso en un proceso altamente refinado, seguirá habiendo algo de porosidad en el centro de la pieza fundida. [23]
La mayoría de las máquinas de fundición a presión realizan otras operaciones secundarias para producir características que no se pueden fundir fácilmente, como perforar un orificio, pulir, enchapar, abrillantar o pintar.
Después de la sacudida de la pieza fundida, se inspecciona para detectar defectos. Los defectos más comunes son los errores de funcionamiento y los 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 la porosidad por gas, la porosidad por contracción , los desgarros calientes y las 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, medioambiente y seguridad. A diferencia de los lubricantes a base de disolventes, 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.
En la actualidad se utilizan emulsiones de "agua en aceite" y "aceite en agua" , porque, cuando se aplica el lubricante, el agua enfría la superficie de la matriz evaporándose, depositando así el aceite que ayuda a liberar la granalla. Una mezcla común para este tipo de emulsión es de treinta partes de agua por una 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 . Se utilizan otros aditivos químicos para inhibir la oxidación y la herrumbre . Además, se añaden emulsionantes para mejorar el proceso de fabricación de la emulsión, por ejemplo , jabón , ésteres de alcohol , óxidos de etileno . [26]
Históricamente, se utilizaban comúnmente lubricantes a base de disolventes, como el combustible diésel y el queroseno . Estos eran buenos para separar la pieza del molde, pero se producía una pequeña explosión durante cada inyección, lo que provocaba una acumulación de carbono 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 elevado coste de capital . Tanto el equipo de fundición necesario como las matrices y los 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 fines de la década de 1950 y en la década de 1960. El nombre es un acrónimo de preciso, confiable y denso. Fue desarrollado para combinar un llenado estable y una solidificación direccional con los tiempos de ciclo rápidos del proceso de fundición a presión tradicional. El proceso fue pionero en cuatro tecnologías innovadoras para la fundición a presión: análisis térmico , modelado de flujo y llenado, fundiciones a presión de alta integridad y tratables térmicamente, y fundición por compresión indirecta (explicada a continuación). [5]
El análisis térmico fue el primero que se realizó para cualquier proceso de fundición. Esto se hizo creando un análogo eléctrico del sistema térmico. Se dibujó una sección transversal de las matrices en papel Teledeltos y luego se dibujaron las cargas térmicas y los patrones de enfriamiento en el papel. Las líneas de agua se representaron mediante imanes de varios tamaños. La conductividad térmica se representó mediante el recíproco de la resistividad del papel. [5]
El sistema Acurad empleaba un sistema de llenado inferior que requería un frente de flujo estable. Se utilizaron procesos de pensamiento lógico y de ensayo y error porque aún no existía el análisis computarizado; sin embargo, este modelo fue el precursor del modelo computarizado de flujo y llenado. [5]
El sistema Acurad fue el primer proceso de fundición a presión que podía fundir con éxito aleaciones de aluminio con bajo contenido de hierro, como A356 y A357. En un proceso de fundición a presión tradicional, estas aleaciones se soldaban a la matriz. De manera similar, las piezas fundidas de Acurad podían ser tratadas térmicamente y cumplir con la especificación militar estadounidense MIL-A-21180-D. [5]
Por último, el sistema Acurad empleaba un diseño patentado de pistón de doble inyección. La idea era utilizar un segundo pistón (ubicado dentro del pistón primario) para aplicar presión después de que la granalla se hubiera solidificado parcialmente alrededor del perímetro de la cavidad de fundición y el manguito de la granalla. Si bien el sistema no era muy eficaz, llevó al fabricante de las máquinas Acurad, Ube Industries , a descubrir que era igual de eficaz aplicar suficiente presión en el momento adecuado más adelante en el ciclo con el pistón primario; esto es la fundición por compresión indirecta. [5]
Cuando no se permite la porosidad en una pieza fundida, se utiliza el proceso de fundición sin poros . Es idéntico al proceso estándar, excepto que se inyecta oxígeno en la matriz antes de cada inyección para purgar el aire de la cavidad del molde. Esto hace que se formen pequeños óxidos dispersos cuando el metal fundido llena la matriz, lo que prácticamente elimina la porosidad del gas. Una ventaja adicional de esto es una mayor resistencia. A diferencia de las fundiciones a presión estándar, estas fundiciones se pueden tratar térmicamente y soldar . Este proceso se puede realizar en aleaciones de aluminio, zinc y plomo. [16]
En la fundición a presión asistida por vacío , también conocida como fundición a presión a alta presión al vacío (VHPDC), [33] 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 por inyección directa con colector calentado , también conocida como fundición a presión por inyección directa o fundición a presión sin canal , es un proceso de fundición a presión de zinc en el que el zinc fundido se hace pasar a través de un colector calentado y luego a través de miniboquillas calentadas, que conducen a la cavidad de moldeo. Este proceso tiene las ventajas de un menor costo por pieza, a través de la reducción de desechos (por la eliminación de bebederos, compuertas y canales) y la conservación de energía, y una mejor calidad de la superficie a través de ciclos de enfriamiento más lentos. [16]
La fundición a presión semisólida utiliza metal que se calienta entre su temperatura líquida y sólida (o líquida y eutéctica), de modo que se encuentra en un estado "blando". Esto permite obtener piezas más complejas y paredes más delgadas. [ cita requerida ]
La fundición a baja presión (LPDC, por sus siglas en inglés) es un proceso desarrollado para mejorar la consistencia e integridad de las piezas, a costa de un tiempo de ciclo mucho más lento. [34] En la LPDC, el material se mantiene en un depósito debajo de la matriz, desde donde fluye hacia la cavidad cuando aumenta la presión de aire en el depósito. [34] Las presiones típicas varían de 0,3 bar (4,4 psi) a 0,5 bar (7,3 psi). [34] [35] Se pueden aplicar presiones algo más altas (hasta 1 bar (15 psi)) después de que el material esté en la matriz, para trabajarlo en los detalles finos de la cavidad y eliminar la porosidad. [34]
Los tiempos de ciclo típicos para un proceso de fundición a presión a baja presión son más largos que para otros procesos de fundición a presión; un bloque de motor puede tardar hasta quince minutos. [34] Se utiliza principalmente para aluminio, pero también se ha utilizado para acero al carbono. [34]
La fundición a presión integrada [36] se refiere a la integración de alto nivel de múltiples piezas de aleación 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 grandes. El objetivo es reducir los costos de fabricación a través del moldeo de una sola vez, disminuyendo significativamente la cantidad de piezas necesarias para el ensamblaje del automóvil y mejorando la eficiencia general. [37] 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 . [38]
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