Construcción de una Máquina de Fundición Centrífuga.

Transcripción

UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA
“JOSE SIMEON CAÑAS”
Construcción de una Máquina de Fundición Centrífuga.
TRABAJO DE GRADUACIÓN PREPARADO PARA LA
FACULTADAD DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA
PARA OPTAR AL GRADO DE
INGENIERO MECÁNICO
POR
COSME VALDEMAR DURAN RODRIGUEZ
OSCAR EDUARDO RIVAS LUNA
MAYO 2005
SAN SALVADOR, EL SALVADOR, C. A.
RECTOR
JOSE MARIA TOJEIRA, S. J.
SECRETARIO GENERAL
RENE ALBERTO ZELAYA
DECANO DE LA FACULTAD DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA
CELINA PEREZ RIVERA
COORDINADOR DE LA CARRERA DE INGENIERIA MECANICA
ING. MARIO CHAVEZ
DIRECTOR DEL TRABAJO
ING. CARLOS RIVAS
LECTOR
ING. CARLOS RIVAS
ING. MANUEL PINEDA
AGRADECIMIENTOS
Le agradecemos al Creador por habernos concedido la oportunidad de poder conocerle un
diferencial más de las grandezas que ha hec ho en la naturaleza, razón que nos inspiro a
estudiar y culminar esta carrera, motivo por el cual es una puerta en la dimens ión racional y
espiritual que nos ayudará a conocerle aun más.
Le agradecemos el apoyo espiritual, material y moral incondicional que nos han brindado
nuestra familia para cumplir uno de los sueños más grandes en nuestras vidas.
Agradecemos a nuestro director Ing. Carlos Rivas, a nuestro lector Ing. Manuel Pineda y a
todo el profesorado de la UCA por habernos permitido tener el privilegio de poder recibir
clases, asesorias, y consejos, días que nos ayudaron a ser cada día una persona con má s
criterio, seguridad y decisión.
Le agradecemos el apoyo brindado por nuestros compañeros a mejorar y finalizar nuestra
carrera.
i
DEDICATORIA
Dedicamos este trabajo como una ofrenda de fe, disciplina, empeño y dedicación al
Creador del Universo, a la Virgen Santísima, a Cristo y al Espíritu Santo, que este paso que
hemos dado sea para dar infinitos pasos más, para formar el camino para estar más cerca
del Todo en Todo.
Dedicamos a nuestras familias que tan arduamente se han esforzado para hacer realidad uno
de nuestros sueños, cosa que les recompensaremos haciendo una dedicación y entrega
diaria a la carrera para que sea un medio para ayudar y desarrollar aquello que todavía no
sea ha pensado aún.
Dedicamos a todo el personal de la UCA, especialmente los del departamento de Ing.
Mecánica este documento como agradecimiento a sus enseñanzas y entrega académica
profesional de cada día.
Dedicamos a nuestros compañeros y amigos por apoyarnos en todo momento en el
transcurso de la carrera este documento, para que futuras generaciones puedan tomar este
instrumento de referencia, para aumentar la creatividad del Ing. Mecánico en nuestro
medio.
ii
RESUMEN EJECUTIVO
Descripción del problema:
Se requería una máquina de fundición centrífuga que sea capaz de producir bujes de
bronce de 12” de longitud, 4” de diámetro externo y con diámetros internos de 3.5”,3” y
2.5”.
Este tipo de máquinas consta básicamente de un molde giratorio horizontal, cuya material
puede variar dependiendo del material de fundición.
El documento muestra en detalle el desarrollo de varios puntos críticos a conocer en la
determinación de los parámetros iniciales de la máquina y del proceso, entre estos están:
criterios de escogitación de material, dimensionamiento, velocidad de rotación del molde,
velocidad de rotación del eje de transmisión, perfil térmico de la Operación, tasa de
Transferencia de Calor, tiempo de Fundición, y tasa de entrega propuesta del material
fundido.
Se expone la descripción del principio de funcionamiento del prototipo, enunciando
variab les mecánicas relacionadas para el ajuste pre-operación y accionamiento de la
máquina. Así como los parámetros indispensables de funcionamiento en el momento de
operación. Adicionalmente se presenta la manera en que se encuentran ensamblados los
elementos mecánicos.
Se realizaron los cálculos del grado de flexión para poder predecir la flecha máxima a la
cual estará sometido los ejes y poder así dimensionarlos, igualmente se describe el criterio
que se tomo para la escogitación del material y el dimensiona miento de los rodos de
transmisión al molde. Características como el punto de fusión, peso especifico, grado de
deslizamiento rigidez y conductividad térmica fueron variables infaltables en la
escogitación del material para el diseño del molde.
iii
A la hora de determinar el espesor mínimo de la pared del molde se tomaron en cuenta los
efectos de la presión ejercida por el metal fundido y la rotación del molde, Se tomaron en
cuenta las consideraciones empíricas a la hora de determinar la razón de entrega del metal
fundido a lo largo de la longitud del molde, así como criterios de tipo practico, como
también, los resultados arrojados por los modelos matemáticos desarrollados para modelar
teóricamente el proceso de enfriamiento. Adicionalmente se hicieron los cálculos
pertinentes de cinemática para la transmisión de movimiento y lograr así la velocidad de
rotación mínima requerida.
La empresa CONSULMENT decidió financiar la fabricación del prototipo por lo que se
hace una descripción del proceso de fabricación de los componentes, como también una
descripción del ensamblaje de la máquina, así como los resultados y cambios realizados
tras las pruebas de funcionamiento en vacío que se ejecutaron.
Se hace un bosquejo del desembolso incurrido para fabricar el prototipo incluyendo los
imprevistos, mano de obra, materiales, cambios etc. Se hace finalmente unas
recomendaciones que ayudaran en su momento a realizar de la fundición con un variador de
frecuencia, se detallo una ecuación que permite conocer la longitud máxima de fundición
realizable sobre la base de las dimensiones y propiedades físicas del molde y de la
fundición vrs. La potencia requerida; Se adjunta finalmente los planos del prototipo cuya
finalidad será la posibilidad de crear nuevamente una máquina idéntica a la realizada.
iv
INDICE
Agradecimientos………………….……………………………………………….. i
Dedicatoria………………………………………………………………………… .ii
Resumen ejecutivo………………………………………………………………… .iii
Índice………………………………………………………………………………..v
Abreviaturas………………………………………………………………………...vii
Simbología………………………………………………………………………….vii
Prologo……………………………………………………………………………...viii
Definición del problema…………………………………………………………….ix
Objetivos…………………………………………………………………………… x
Objetivo general……………………………………………………………………..x
Objetivo Especifico………………………………………………………………… x
Limites y alcances…………………………………………………………………...x
Limites……………………………………………………………………….x
Alcances……………………………………………………………………..x
Limitantes…………………………………………………………………………...xi
Capitulo I: Introducción…………………………………………………………….1
i. Antecedentes de la fundición centrífuga en El Salvador………………… .1
ii. Relevancia del tema en nuestro medio…………………………………...1
Capitulo II: Marco teórico…………………………………………………………..2
i. Principio físico de la fundición…………………………………………… 2
ii. Variables a considerar en el proceso……………………………………..3
Capitulo III: Diseño conceptual del equipo………………………………………....3
i. Descripción del Principio de Funcionamiento…………………………… .3
ii. Parámetros de Funcionamiento a cumplir………………………………..6
Temperatura del molde……………………………………………...6
Veloc idad de Ro tación del molde…………………………………...6
Tiempo de Fundición………………………………………………..7
Ensamblaje de componentes………………………………………………...7
Capitulo IV: Diseño teórico………………………………………………………… 9
i. Ejes de transmisión de poleas al molde…………………………………...9
v
ii. Rodos para soportar el molde…………………………………………… 11
iii. El molde………………………………………………………………… 12
iv. Razón de entrega y fluidez a lo largo del molde………………….……..19
v. Razón de enfriamiento……………………………………………………20
vi. Presión de la fundición sobre el molde……………………………..……20
vii. Esfuerzo circunferencial en el molde y
en el metal fundido a ser modelado………………………………………....31
viii. Comportamiento térmico del molde…………………………………….35
ix. Las poleas………………………………………………………………...45
x. La caja que rodea al molde……………………………………………… ..48
xi. El vertedero……………………………………………………………….49
Capitulo V: Fabricación y prueba del prototipo……………………………………..51.
i. Descripción del proceso de fabricación de los componentes……………...51
ii. Descripción del ensamblaje para formar la máquina……………………..53
iii. Descripción y resultados de las pruebas de funcionamiento
en vacío que se ejecutaron…………………………………………………...62
Prueba “A”…………………………………………………………...62
Prueba “B”…………………………………………………………...63
Prueba “C”…………………………………………………………...63
Prueba “D”…………………………………………………………...64
Prueba “E”…………………………………………………………...65
Sumario de resultados……………………………………………… ..67
Descripción del desembolso incurrido para fabricar el prototipo…………...68
Conclusiones…………………………………………………………………………70
Recomendaciones…………………………………………………………………… 71
Anexo………………………………………………………………………………..73
Anexo “A”…………………………………………………………………………...73
Anexo “B”…………………………………………………………………………...78
Anexo “C”…………………………………………………………………………...79
Bibliografía…………………………………………………………………………..91
vi
ABREVIATURAS
Gráfico
Graf.
Pascales
Pa
Ecuaciones.
Eq.
Mega Pascales
MPa
Pulgada
Pulg.
Libras por Pulgada cuadrada
Psi
Metros
m.
Segundos
Seg.
Kelvin
K
Kilogramo
Kg.
Joules
J
Watts
W
Centígrados
C
Revoluciones por minuto
RPM
Horas
hrs.
mol
mol
SIMBOLOGÍA
te: Espesor de la pared del molde.
D2: diámetro polea mínima de transmisión.
Di: Diámetro del molde.
G: Veces de la gravedad a la cual se desea someter a la fundición.
Di: Es el diámetro interno de la fundición.
E: Es el espesor del molde.
Din: Es el Diámetro interno del molde requerido
•
m : La razón de flujo masico del metal liquido entrando al molde
Cp : Calor especifico del bronce a presión constante.
Cv : Calor especifico del bronce a volumen constante
Tl : Temperatura del bronce liquido entrando al molde.
T : Temperatura de Enfriamiento en funció n del tiempo.
h : Coeficiente de película promedio
As : Área Superficial Externa del molde.
T∞ : Temperatura del aire rodeando el lado externo del molde.
ε : Emisividad Hemisférica del Grafito
σ : Constante de Estefan Boltzman
M : Masa Total del Buje de menor diámetro interno
vii
? = Densidad promedio del bronce en el proceso
D1: Es el diámetro de la polea del motor.
L: Es el perímetro de la faja.
P: Es la potencia. (Watts)
γm: Peso especifico del molde.
γb: Peso especifico del Material a ser fundido.
νb: Volumen de del Material a ser fundido.
γm: Peso especifico del Material del molde.
νm: Volumen de del Material del molde.
α: Angulo de posicionamiento del molde con respecto a las chumaceras
rm : Radio de la polea del motor.
r p Radio de la polea del eje de transmisión.
n : RPM del motor.
η : Eficiencia del motor.
di: Diámetro del molde.
PROLOGO
Capítulo 1. Breve introducción de las necesidades, ambiciones que conlleva la elaboración
del prototipo de una máquina de fundición centrífuga, las reseñas históricas de cómo ha
evolucionado este tipo de fundición en el país, las formas tradicionales de fabricar los bujes
de bronce.
Capítulo 2. Principios básicos para la elaboración de fundición centrífuga explicando los
diferentes aspectos que intervienen para que se pueda formar el buje deseado, dando una
especificación de todas las variables que juegan un papel muy importante en la fundición.
viii
Capítulo 3. Descripción del funcionamiento de las partes de la máquina de fundición
centrífuga basados en los conceptos teóricos, describiendo los diferentes problemas que se
pueden ocasionar si no se realizan los cálculos adecuados, explicando los parámetros que
intervienen en la fundición y describiendo su importancia. Como se fue formando la
máquina, los pasos que se hicieron para fabricarla.
Capítulo 4. Explicación de todos los conceptos teóricos que se utilizaron para el diseño de
la máquina, además del dimensionamiento de las partes de transmisión, molde, rodamiento,
vertedero, etc. Dando una descripción de las propiedades mecánicas de los materiales
utilizados para cada una de las partes importantes de la máquina; razón a la cual se tiene
que entregar el bronce para que no existan discontinuidades o defectos, tiempo en el cual
tiene que verterse todo el material y el tiempo de enfriamiento de este. Ilustración por
medio de tablas en las cuales se observan los datos obtenidos teóricamente de cada una de
las partes. Análisis de los datos obtenidos mediante gráficos, tasa de transferencia de calor
que se esta dando en el momento de enfriamiento del buje. Dimensionamiento de poleas de
transmisión para generar los diferentes diámetros interiores de los bujes.
Capítulo 5. Descripción de la fabricación y prueba del prototipo, en el cual se describe la
forma de fabricación de las partes de la máquina de fundición centrífuga y los tiempos que
se llevo cada proceso de fabricación, además del proceso de ensamble de la máquina
tomando en cuenta todos los pasos que se siguieron para realizarlo esto se ve de una forma
grafica mediante fotografía. Explicación de los resultados de las pruebas realizadas en
vacío de la máquina con los problemas que se dieron en cada una de las pruebas. Breve
explicación de los gastos que se realizaron para la elaboración.
DEFINICIÓN DEL PROBLEMA:
Desarrollar el diseño de una máquina centrífuga para fabricar bujes de bronce de 12” de
longitud, 4” de diámetro externo y con diámetros internos de 3.5”,3”,2.5”.
ix
Investigar la temperatura de colada del bronce y ponerla como requisito de diseño para la
máquina.
OBJETIVOS:
OBJETIVO GENERAL.
Realizar el diseño de la máquina, fabricarla y probarla.
OBJETIVO ESPECIFICO.
•
Verificar que este tipo de equipo se puede fabricar en el país con la tecnología
existente.
•
Cuantificar el costo de desarrollo del equipo. A partir de cuánto cuesta desarrollar y
fabricar el primer prototipo del equipo.
•
Probar el equipo en funcionamiento.
•
Hacer un análisis de costos de los bujes.
LIMITES Y ALCANCES:
Limites.
No se tuvo acceso a las propiedades mecánicas del Grafito y del Bronce a ser utilizado, mas
sin embargo los cálculos usados muestran que tipo de Bronce y Grafito se tomo en cuenta
para su desarrollo teórico.
El proceso no puede llevarse a cabo antes de 4 minutos, ya que es una máquina
experimental, deben tomarse todas las medidas de seguridad que se requieran para
garantizar la integridad de los operarios; lo cual supone un sacrificio en el tiempo.
x
Después de extraer la primera pieza hay que volver a recalentar el molde, lo cual supone
tiempo adicional
El prototipo no es una máquina de producción industrial; ya que: (todo lo anterior)
Alcances.
Nuestro Alcance es desarrollar un equipo de fundición centrífuga que permita fabricar bujes
de 12” con Diámetros internos desde 3.75” hasta 2.5”.
Demostrar la manera básica en que debe hacerse la fundición centrífuga. (Materiales,
dimensiones, escalas, precauciones y medidas de seguridad).
Determinación en base a las pruebas de la secuencia de pasos necesarios que deben
realizarse.
LIMITANTES
El proyecto estaba circunscrito al financiamiento.
El proyecto llegaría hasta donde la
empresa CONSULMET decidiera financiar. De hecho, el variador de frecuencia no se
colocó porque la empresa no lo financió.
xi
CAPITULO I: INTRODUCCION.
i.
Antecedentes de la fundición centrífuga en El Salvador.
La investigación y desarrollo de la máquina de fundición centrífuga en El Salvador ha sido nula o
no ha existido el interés sobre este tipo de fundición, esto puede ser causado por varios motivos
entre los cuales podemos mencionar: falta de dominio sobre el tema ya que la gran mayoría de
fundidores no tienen los conocimientos de ingeniería adecuados para el diseño o estudio de este
tipo de máquina, los recursos económicos son limitados para poder adquirir el equipo adecuado,
la conformidad de las personas en seguir haciendo lo que aprendieron y no implementar las
nuevas técnicas de fundición.
ii.
Relevancia del tema en nuestro medio.
Este tipo de fundición es de gran relevancia ya que tiene un mercado muy grande al no existir
máquina alguna de este tipo en nuestro país, debido a la no existencia se ve en la necesidad de
importar los bujes teniendo un costo elevado o teniendo que seguir con la utilización de moldes
estáticos de arena, lo cual no es adecuado debido a los diferentes problemas que este tipo de
fundición conlleva entre los cuales tenemos: utilización de una cantidad excesiva de material ya
que los conductos y mazarotas necesarios se llevan el 37.5% del metal a fundir, el grano es muy
grande, rechupes e incrustaciones, no garantizando la calidad del producto elaborado. La
fundición centrífuga garantiza la calidad del producto ya que en ella no se dan los problemas de
rechupe, incrustaciones, la cantidad de metal es la necesaria, no hay problemas de
discontinuidades. El interés de CONSULMET para la elaboración de este prototipo fue el poder
ingresar al mercado nacional y regional en la distribución de bujes elaborados en máquina de
fundición centrífuga horizontal para que la calidad de estos sea la adecuada y poder competir con
los productos importados, abonado a ser los pioneros en El Salvador en la fabricación de bujes en
el tipo máquinas antes mencionada e impulsar el desarrollo de la ingeniería en el país. A
continua ción se describe la forma de realizar el diseño y elaboración mecánica de un prototipo de
máquina para fundición centrífuga horizontal basado en los conocimientos adquiridos en el
transcurso de la carrera Ingeniería Mecánica y en la experiencia en fundició n por la empresa
CONSULMET.
-1-
CAPITULO II: MARCO TEORICO.
i. Principio físico de la fundición.
Las exigencias de poder crear un cilindro hueco sin discontinuidades, con alta densidad, y sin
inclusiones metálicas o no metálicas en el metal fundido; Se necesita una aplicación que genere
un entorno de filtrado, limpieza, y unión en la fundición, por lo que debido a las necesidades
expuestas, el diseño se desarrollara a partir del concepto de centrifugación, es decir la aceleración
que adquieren los cuerpos por causa del efecto “Fuerza centrífuga".
La fuerza centrífuga no es una fuerza propiamente como tal, sino que es producida por la inercia
de los cuerpos al moverse en torno a un eje, pues estos tienden a seguir una trayectoria tangencial
a la curva que describen. Esta “Fuerza” aumenta con el radio de giro y con la masa del cuerpo,
siendo la ecuación que la relacione:
F = kmr
Eq.1
donde la constante k es igual al cuadrado de la velocidad angular es decir,
F = mru 2 Eq. 2
Donde “u” es la velocidad tangencial de rotación. Luego, como F = m * a, la aceleración
centrífuga debe ser igual a F / m, o sea, a = r * u2 . Como la velocidad angular es igual a la
velocidad tangencial “v” partida en el radio, podemos escribir
a=
v2
r
Eq. 3
-2-
Cuando se desea hacer un buje se recomienda hacerlo en un centrífugo horizontal. Sin embargo,
si la pieza es relativamente corta en longitud, con respecto al diámetro interior, se puede hacer en
un centrífugo vertical. Una manera práctica, para determinar la dirección de la fundición es
cuando la longitud es más de dos veces el diámetro interno lo que será muy conveniente hacerlo
en un centrífugo horizontal. Por tanto la fundición se realizara de esta manera.
ii. Variables a considerar en el proceso.
•
Escogitació n de Material para el molde.
•
Dimensionamiento del molde.
•
Velocidad de Rotación del Molde.
•
Velocidad de Rotación del eje de transmisión.
•
Expansión Diametral máximo.
•
Perfil Térmico de la Operación
•
Tasa de Transferencia de Calor.
•
Tiempo de Fundición.
•
Tasa de entrega de material fundido.
CAPITULO III: DISENO CONCEPTUAL DEL EQUIPO
i. Descripción del Principio de Funcionamiento.
El funcionamiento de la máquina de centrifugación para realizar una fundición se lograra a través
de lo siguiente:
•
Se dispone la faja del motor en la polea que se encuentra en el eje de transmisión en la
que por el cual será posible generar una velocidad de rotación que se transmitirá de
este a los rodos y de estos al molde propiamente, y así poder desarrollar la G
necesarias al molde para crear una medida de un buje de determinada medida. La
transmisión de la potencia se realizara con una banda tipo “v”, esta posee una tracción
bastante buena entre las paredes de la polea y hace efectivo la transmisión de
movimiento con perdidas significativamente bajas.
-3-
•
Se deberá calentarse el bronce a ser fundido a una temperatura lo suficientemente para
su transformación a fase liquida
(1200 ºC). Una te mperatura de fundición alta
requiere una velocidad más alta de rotación ya que detona el grado de viscosidad alto
del metal; La temperatura de fundición también tiene influencia en los índices de
solidificación y por tanto afecta la cantidad de segregació n que toma lugar. Se debe de
tener una un control adecuado en la temperatura de fundición del bronce ya que parte
para que suceda el efecto lluvia es la rotación inadecuada, es causado también por el
metal fundido que se vierte a una temperatura muy alta. Al igual si la fluidez del
bronce fundido es demasiado lenta, el metal no acelerará rápidamente a la velocidad
del molde. Por tanto el control de la temperatura de fundición del bronce es de vital
importancia.
•
Se encenderá el quemador que se encuentra en el extremo final del molde el cual este
será responsable de generar una llama que haga posible llevar a un intervalo de
temperatura entre (1100 – 1200ºC) al molde cuya finalidad estará circunscrita a
disminuir el choque térmico entre el metal fundido y el molde.
•
Se accionara el motor para generar las RPM y el torque necesario para hacer girar las
poleas y por tanto hacer rotar al molde con respecto al eje neutro de este. La manera a
la cual se transmitirá el movimiento a las pistas del molde será por contacto, es decir,
el eje de transmisión tiene provisto rodos que hacen efectivo el rodamiento y por tanto
la transmisión de movimiento al molde. Estas pistas poseen las características
siguientes: Tiene una superficie rugosa resistente a la abrasión, tiene una aplicación
de adhesivo resistente a alta temperatura. En total deberá posee 6 rodos de apoyo, de
los cuales 2 rodos son de transmisión y 4 son seguidores.
•
Se espera que se estabilice para luego entregar el metal fundido en el molde en un
extremo de este, a través de un canal el cual esta dispuesto en la compuerta de la
estructura de seguridad. Es de hacer resaltar que en el momento de vertido, el metal
tiene más movilidad y energía cinética adicional ayudando de esta manera a que sea
un excelente transmisor de calor.
•
El material fundido (Bronce) se entregara a una tasa fija debido a que tenemos una
condición de rotación del molde constante. Con la velocidad de rotación el metal se
recogerá y se sostendrá firmemente a la pared del molde sin resbalarse o generar el
-4-
“efecto lluvia”. Con el metal líquido manteniéndose en su lugar, un gradiente de
presión será establecido radialmente como resultado del espesor de la pared de la
fundición producto de la fuerza centrífuga la cual será eficaz limpiando el metal de
inclusiones no metálicas y de inclusiones metálicas ajenas al material mismo. Desde
las partículas de densidades diferentes estará sujeto a esfuerzos diferentes a una
velocidad de rotación en particular; Es de tener en cuenta que existirá una tendencia a
un movimiento hacia el exterior del material que posee alta densidad y se desplaza el
material de baja densidad hacia la superficie interna. De esta manera las partículas y
las inclusiones no metálicas se encontraran separadas hacia la superficie interna, para
poder así, ser eliminado por una operación de maquinado. Cuando el bronce en su
fase liquida recién ingresado la fuerza centrífuga promoverá a que este tenga un
movimiento que encause a fluir a lo largo de la longitud del molde y formar así el
buje. Cuando esto ocurre, su energía interna le ayudara a invertirla en energía cinética
y el metal tendera a fluir fácilmente del extremo donde se esta vertiendo el molde. Es
muy deseable que en el proceso se genere la menor cantidad de turbulencia posible
para evitar formación de burbujas que pueden surgir como efecto de este fenómeno.
Por lo que es de suma importancia mantener la tasa de entrega constante.
•
A medida el metal se va solidificando va adoptando la forma de cavidad del molde y
se establecen muchas de las propiedades y características de la fundición. Cuando el
molde se detenga en aproximadamente 6 minutos se esperara que posea una
temperatura a la cual, ya no hay duda que esta en estado sólido. El método de
enfriamiento que se utilizara es el aire cuya velocidad será la producida por el molde
cuando se encuentre girando.
•
Al enfriarse la fundición se remueven tanto los flanjes de ambos extremos, como la
bancada del quemador.
-5-
•
Cuando se halla finalizado la fundición se estima que se encontrara a una temperatura
de los 200 ºC, por lo que la extracción deberá estar circunscrita a que el operador
deberá de tomar todas las medidas de seguridad pertinentes para una fundición tal
como guantes, anteojos, delantal, careta, luego se removerán las rebabas seguid o de la
aplicación de golpes a la fundición por medio de un martillo de goma. Debido a que el
molde posee una conicidad del 3%, se facilitara por tanto su extracción. (Los golpes
deberán de estar aplicados en la sección que tiene un diferencial de diámetro menor).
•
La Pieza final se obtendrá después de un maquinado que le definirá las dimensiones
finales.
ii. Parámetros de Funcionamiento a cumplir.
Las variables que se deben de controlar durante el funcionamiento del prototipo.
•
Temperatura del molde.
Se debe de llevar a una temperatura de pre-operación mayor o igual a 1000 C, con la finalidad
siguiente:
1. Evitar un choque térmico, que promueva dañar el molde.
2. Acrecentar el Esfuerzo de fluencia del Grafito. Para ayudarle aun mas a soportar los
esfuerzos tangenciales a ser generados.
•
Velocidad de Rotación del molde.
De acuerdo al diámetro a ser fundido así será la disposición de la faja en la polea del eje de
transmisión. Por lo que es de suma importancia medir las RPM generadas en el eje de transmisión
cuando se este depositando el metal liquido. Es muy recomendable que se mida directamente en
el molde las RPM sometidas mas sin embargo por cuestiones de seguridad es mejor hacerlo en el
extremo del eje de transmisión.
-6-
•
Tiempo de Fundición.
El tiempo de fundición es una variable crítica ya que este definirá cuando el material estará en su
fase sólida, y cuando es el tiempo estimado para detener la máquina a una temperatura de
fundición dada.
iii.
Ensamblaje de componentes.
A continuación se detalla el diagrama de partes del prototipo. Los paréntesis muestra el orden
de ensamblaje.
Fig. 1
-7-
1. Bancada. (1)
2. Platina con abatimiento. (2)
3. Motor. (3)
4. Polea 6”.(17)
5. Polea 7”.(18)
6. Polea 9”.(19)
7. Faja “Tipo v”.(20)
8. Polea 4”.(4)
9. Chumacera 1.25”.(10)
10. Chumacera 1.25 ”.(11)
11. Chumacera 1.25”.(12)
12. Chumacera 1”.(13)
13. Chumacera 1”.(14)
14. Eje de 1”(15) con 3 rodos de 4” de Diámetro.(16)
15. Eje de 1” (21) con 3 rodos de 4” de Diámetro.(22)
16. Brida posterior.(24)
17. Molde. Dirección: 4.125” en el extremo anterior, 4.0” en el extremo posterior.(23)
18. Brida Anterior.(25)
19. Platina de soporte de rodos superiores.(26)
20. Compuerta de seguridad lateral derecha.(6)
21. Estructura de seguridad del molde. (5)
22. Compuerta de seguridad lateral izquierda.(7)
23. Compuerta de seguridad superior.(8)
24. Compuerta de seguridad frontal.(9)
25. Vertedero.(27)
26. Bancada del quemador. (28)
-8-
CAPITULO IV: DISEÑO TEORICO.
i. Ejes de transmisión de poleas al molde.
Para encontrar los valores de flechas en los ejes de transmisión, se utilizo el método de doble
integración, superponiendo las diferentes cargas entre las que se encuentran:
•
Eje 1”: Peso del propio eje, Peso de los rodos, Peso del molde junto al bronce.
•
Eje 1 ¼”: Peso propio eje, Peso rodos, Peso molde junto al bronce, Peso poleas.
Fig. 2
EJE 1”
Fig. 3
EJE 1 ¼”
Fig. 4
-9-
Las ecuaciones utilizadas fueron las siguientes:
Solo Peso del eje.
We * s1 3 We ( x − s 2 ) 3
x −
+ C1 x + C 2
6s
6
We * s 32
C2 =
Eq. 4
6
2
3
− We * s1 * s
+ We ( s − s 2 )
− C2
6
6
C1 =
s
EIy =
Solo Peso de rodos o poleas
R a x 3 Wr ( x − s1 ) 3 Wr ( x − ( s1 + s 2 )) 3 Wr ( x − ( s1 + s2 + s 3 )) 3
−
−
−
+ C1 x + C 2
6
6
6
6
Wr ( − s1 ) 3 Wr (− s1 − s 2 ) 3 Wr ( − s1 − s 2 − s3 ) 3
Eq.5
C2 =
+
+
6
6
6
3
Wr ( s − s1 ) 3
Wr (s − ( s1 + s 2 )) 3
Wr ( s − (s1 + s 2 + s3 )) 3
− Ra * s +
+
+
− C2
6
6
6
6
C1 =
s
EIy =
Solo peso de molde
R a x 3 Wm (a )(x − s1 )3 Wm( a)(x − (s1 + s 2 ))3 Wm( a)(x − (s1 + s 2 + s 3 ))3
−
−
−
+ C1 x + C 2
6
36
36
36
Wm (a )(− s1 )3 Wm (a)(−s 1 − s 2 ) 3 Wm (a )(− s1 − s 2 − s 3 ) 3
Eq. 6
C2 =
+
+
36
36
36
3
3
R
s
Wm
(
a
)(
s
−
s
)
Wm
(
a
)(
s
−
(
s
+
s 2 )) 3 + Wm (a )(s − ( s1 + s 2 + s 3 )) 3 − C
1
1
− a
+
+
2
6
36
36
36
C1 =
s
EIy =
- 10 -
Los resultados obtenidos fueron los siguientes:
Sector
Flecha Máxima
Eje 1.0”
0.0520 pulg.
Eje 1 ¼”
Tramo 1
0.0037 pulg.
Tramo 2
0.0016 pulg
Tramo 3
0.0028 pulg
Tramo 1a
Tabla 1
ii. Rodos para soportar el molde.
Los rodos se diseñaron a partir de las consideraciones siguientes:
•
Un material suficientemente resistente a la deformación.
•
Suficiente área de contacto. Un canal que permita acoger el molde lo suficiente para
generar una rotación en el.
•
Un modulo Elasticidad Alto. Para proveer una rigidez adecuada al soporte del molde
Por tanto los resultados se pueden resumir de la siguiente manera:
Parte
Flecha Máxima
Material
Esfuerzo
de Fluencia
Resistencia
a la ruptura
Módulo de
Elasticidad
Acero 1020
295 MPa
395 MPa
207 GPa
Tabla 2
- 11 -
iii. El molde.
Las necesidades de crear el buje requiere que se desarrolle en una cavidad que posea bajo
coeficiente de fricción para el facilitar el flujo del material fundido, debe resistir la aplicación de
químicos que protegerán el diámetro interior del molde, debe de tener una resistencia mínima
para lograr desalojar el calor generado internamente, debe de mantener sus dimensiones durante
el proceso de fundición, debe de resistir alta temperatura a la cual estará sometida. En resumen
las características indispensables a tomar en cuenta en la escogitacion del metal son las
siguientes:
•
Excelente propiedad autolubricante.
•
Resistencia a agentes químicos.
•
Buena conductividad térmica.
•
Excelente estabilidad dimensional.
•
Buen desempeño en altas temperaturas de trabajo.
Realizando una búsqueda sobre la gama de material en el mercado que reuniera las características
anteriores se llego a la escogitacion del Grafito ya que puede ser fácilmente trabajado en
máquinas en una variedad de formas diferentes con un acabado superficial muy bueno, buena
conductividad térmica (Tres veces que del hierro) y un calor específico adecuado (Dos veces la
del hierro). La capacidad de enfriarse es buena . El grafito es no reactivo con la mayoría de los
metales fundidos. Es extremadamente resistente al choque térmico, y su resistencia se incrementa
a medida aumenta la temperatura., La resistencia a la tensión a temperatura ambiente es alrededor
de 15,000 ⋅
lb
≡ 100 MPa , pero se incrementa al doble de este valor a una temperatura igual a
pu lg 2
2500 o C , posee un modulo de Young relativamente bajo y su Elasticidad Aumenta a medida se
incrementa la temperatura. A continuación se detallan las propiedades físicas del Grafito, a saber:
- 12 -
PROPIEDADES FÍSICAS
Estado:
Sólido
Estructura cristalina:
Romboédrica
Negro
Color:
Densidad (Kg./m³):
2260
Dureza (Mohs):
0,5
Conductividad eléctrica :
5×10 S/m
Conductividad térmica:
19,6 W/(cm·K)
Calor específico:
710,6 J/(kg·K) (g)
Punto de fusión:
3800 K
Entalpía de fusión:
105 kJ/mol
Punto de ebullición:
5100 K
Entalpía de vaporización:
711 kJ/mol
2
Tabla 3
Para poder determinar el espesor mínimo recomendable del molde se consulto el Nomograma de
del libro centrífugal casting de la AFS. En este Nomograma se puede apreciar la dependencia
proporcionalmente directa del espesor del molde y del diámetro interior de este. Al poder apreciar
el Nomograma y poder sacar su proporcionalidad se puede deducir que la determinación del
espesor del molde es independiente al tipo de material mas sin embargo es determinante el
diámetro interno del molde, a saber:
E = 1.75 +
1 .5
⋅ ( Din − 3) Eq. 7
54
- 13 -
Diametro Interno ( Pulg.)
Espesor vrs. Diametro interno del
molde
12
10
8
6
4
2
0
1.65
1.7
1.75
1.8
1.85
1.9
1.95
2
Espesor ( Pulg.)
Graf. 1
Diámetro interno
Espesor mínimo
reque rido del molde.
recomendado
4.125”
1.781”
Tabla 4
Ante el resultado que nos proporciona el nomograma se realizara un análisis muy minucioso de
los esfuerzos involucrados para ratificar los datos obtenidos en la grafica anterior. El propósito de
realizar este análisis se encuentra circunscrito a la resistencia del molde ante la presencia de
esfuerzos elevados, como también los efectos sobre el metal a ser moldeado, la cual es producto
del contacto de la fundición con el molde como la rotación de este.
Determinación del tipo de análisis según el tipo de pared.
1. Análisis de cilindro de pared gruesa. Se consideran los tres esfuerzos axiales, radiales y
tangenciales.
- 14 -
2. Análisis de cilindro de pared delgada. Se considera que actúan solo dos de ellas, el
esfuerzo tangencial σ t y el esfuerzo axial σa , ya que el esfuerzo radial σ r se considera
despreciable.
El tipo de análisis a realizar dependerá de la magnitud del espesor de la pared según lo sugerido
por el Graf. 1; para ello ASME, plantea que cuando el cociente entre el espesor t de la pared y el
diámetro interior di del recipiente es mayor o igual a 0.10, se considera que el análisis a
considerar corresponde a un cilindro de pared gruesa, de lo contrario en análisis a realizar será de
pared delgada, a saber:
te ≥ 0,10
di
Eq 8
Por tanto al sustituir tenemos lo siguiente
te =
1.78125
= 0.4318 Eq. 9
4.125
Debido a que el cociente t di entrega un resultado mayor que 0.1 el tipo de análisis a realizar para
el molde será como Cilindro de Pared Gruesa. En la figura 1a se observa un esquema del molde
de longitud L, diámetros interno di y externo d0 y espesor t de la pared. Este estará sometido a una
presión interna pi (
Presión del bronce sobre el molde ), en donde sus paredes soportarán
esfuerzos en los cuales pueden ser reducidos a un sistema de tres esfuerzos normales entre sí,
según muestra la figura (Fig.1b), donde se ha ampliado un elemento A de la pared del molde, a
saber:
•
Esfuerzo tangencialσ t.
•
Esfuerzo radial σ r.
- 15 -
Fig. 5
Fig. 6
En la figura anterior se muestra un corte longitudinal y transversal del molde en donde muestra
los esfuerzos radiales y tangenciales que este estará sometido.
Fig. 7
- 16 -
La figura anterior muestra un elemento diferencial del molde que muestra los esfuerzos a la cual
estará sometido, las ecuaciones de soporte que tendremos para ratificar la resistencia del molde
ante la presión ejercida de la fundición al molde, a saber:
σr = −
pi .di2
d 02 − di2
+
(d
pi .d i2 .d 02
2
0
)
− d i2 .d 2
=
pi .d i2  − 4.r 2 + d 02 


4.r 2  d 02 − d i2 
pi .d i2  4.r 2 + d 02 


σt = 2
+
=
d 0 − d i2 d 02 − d i2 .d 2
4.r 2  d 02 − di2 
pi .d i2
(
Eq. 10
pi .d i2 .d 02
)
Eq. 11
Estas expresiones son aplicables al efecto de la presión interna de la fundición sobre el molde
dentro de la zona de comportamiento elástico del Grafito al igual que el Bronce. Los efectos
producidos por las velocidades de rotació n, sobre los materiales, será determinado por la cantidad
de veces que puede generarse la aceleración de la gravedad termino que comúnmente se conoce
como “G”, o el número de veces de la gravedad que la fundición se encontrara sometida. Así, al
producir una fundición de diámetro relativamente pequeño, se recomienda usar una RPM que
genere un rango entre 60 a 75 G, la cual estas fuerzas que se ejercen en esa fundición será
bastante similar que para un diámetro mayor al ser sometido al metal fundido a una velocidad
equivalente (Según su diámetro interior). Hasta donde las dimensiones del diámetro interno de la
fundición se encuentra considerada, las RPM de la fundición serán así diferentes; la fuerza
centrífuga en el metal será la misma que para el más pequeño diámetro de las fundiciones como
para el que posee un diámetro interno mayor de una fundición.
Durante el proceso de fundición, el metal modelado soportara grandes esfuerzos tangenciales por
lo que para mitigarlos, así como el “efecto lluvia”, la velocidad de rotación del molde debe ser
variada. A continuación se describe las 3 fases que debe ser sometida la fundición:
1. En el tiempo de vertido ocurre cuando el molde está girando a una velocidad tal que es
suficiente para la formación de la las primeras capas del metal que permitirán generar la
manera de fluidez de la siguiente fase.
- 17 -
2. En la medida que el metal llega al otro extremo al molde, la velocidad de rotación es
incrementada.
3. La velocidad de rotación es mantenida constante por un tiempo después de vertido el
material; el tiempo de la velocidad constante varía con el tipo de molde, el metal que está
siendo fundido y el espesor de la pared del metal modelado.
A medida que ingresa el material fundido en el molde se va generando un gradiente de esfuerzos
tangenciales y radiales establecido a través del espesor de la fundición por la acción de
aceleración centrífuga. Esto podría causar aleaciones compuestas de varias densidades a separar,
con partículas con menor densidad tales como escorias e impurezas no metálicas acumuladas en
el diámetro interno. El espesor de estas partículas de impureza es comúnmente limitado a unos
pocos milímetros y las mismas son fácilmente removidas con el maquinado.
Es de hacer notar que la velocidad ideal de rotación causa rápida adhesión del metal líquido en la
pared del molde con una mínima vibración. Tales condiciones tienden a resultar en una fundición
con propiedades mecánicas uniformes.
En el caso de fundiciones con espesores de pared muy gruesas (10 pulg. /254 mm. o más), el
criterio planteado anteriormente debe usarse con prudencia. Si la razón normal de fundición es de
60 G en el diámetro interior, produciría para este caso una velocidad bastante excesiva de
rotación. Esto podría producir esfuerzos tangenciales excesivos en el diámetro interno de la
fundición con una probabilidad suficientemente alta para generar daños longitudinales en la
pieza. Es de tener en cuenta por tanto que velocidades de rotación muy altas, y por consiguiente
las fuerzas “G” generadas ejercería en el molde un gran riesgo.
Las velocidades más bajas de rotación tienden a reducir las fallas longitudinales de la fundición,
así como los esfuerzos tangenciales elevados en el molde pero no se debe de llegar a un extremo
de reducir la velocidad tanto sino a una velocidad que no pueda existir el resbalamiento o
deslizamiento del metal, por ello es muy recomendable conocer muy bien el material a ser
fundido como también realizar pruebas para poder llegar a la velocidad optima de rotación para la
fundición.
- 18 -
Existen varios factores que influyen en la velocidad de rotación:
•
La Razón de entrega del metal como la fluidez a lo largo de la longitud de molde.
•
La Razón de enfriamiento del molde a la capa de metal en contacto con la superficie del
molde.
•
Presión en la superficie del molde.
•
Esfuerzo Circunferencial en la pared a ser modelada.
iv. Razón de entrega y fluidez a lo largo del molde.
La tasa de entrega del metal fundido al molde se realizara en función a la velocidad de rotación,
para controlar en el metal fundido lo siguiente:
•
Disminuir el efecto lluvia.
•
Disminuir los salpiques.
•
Generar un flujo laminar.
•
Generar una distribución uniforme.
•
Lograr el escape de los gases de fundición.
•
Lograr controlar los esfuerzos tangenciales.
Para lograr estos objetivos se deberá de controlar:
•
El perfil de entrega.
•
Temperatura de la fundición.
•
Velocidad de Rotación.
- 19 -
v. Razón de enfriamiento.
Se desarrollara un modelo de transferencia de calor que permitirá además de describir el perfil
térmico del molde ayudara a interpretar si el coeficiente de conveccion generado por la velocidad
rotacional es capaz de disipar el calor en un tiempo propuesto de diseño.
Un vertido más lento puede compensar alguna magnitud de incremento de temperatura. Es decir,
la velocidad de rotación mínima para la fundición será más baja al usar una razón de vertido
lenta. Por ello se ha definido una tasa fija de entrega de material fundido (Independiente a la
dimensión de la fundición), para poder determinar si la tasa de transferencia de calor es la idónea
y pueda cumplir con los requisitos de mantener el metal en el arco generado.
vi. Presión de la fundición sobre el molde.
Esta variable determinara el grado de esfuerzo radial incidente en el molde, lo cual se encontrara
circunscrito a la G generadas y por tanto a las RPM desarrolladas. Por lo cual se realizara un
análisis de estos esfuerzos para determinar el grado de incidencia que posee sobre el molde.
vii. Esfuerzo circunferencial en el molde y en el metal fundido a ser modelado.
Este esfuerzo circunferencial vendrá definido a partir de los producidos por: La presión generada
por material fundido al molde y por la rotación. Por lo que es de vital importancia tener el control
adecuado de la velocidad rotacional.
El libro centrífuga l casting de la Asociación Americana de Fundidores, expone un nomograma
que relaciona las G a la cual estará sometida la fundición en función de las RPM y el diámetro
interno de la fundición. Las consideraciones a tomar en cuenta son:
- 20 -
•
Todas las fundiciones se encontraran a 60 G.
•
Se analizara el caso mas desfavorable, para garantizar la resistencia del molde ante las
variables a la cual estará sometido, a saber:
•
Diámetro interno de fundición: 2.5”.
•
Velocidad de rotación del molde 1209.74 RPM.
•
No existe ventilación forzada.
La ecuación que describe el comportamiento de la velocidad de rotación en función al diámetro
interno sometido a 60G es la siguiente:
RPM =
G
⋅ (− 650 .19 ⋅ ln Di + 1905 .5) Eq. 12
60
Donde
G: Veces de la gravedad a la cual se desea someter a la fundición. (45 – 100 G)
Di: Es el diámetro interno de la fundición. (1-5 Pulg.)
Por tanto las velocidades de rotación a utilizar son las siguientes
Diámetro
RPM
Interno
2.5”
1309.74
3”
1191.19
3.5”
1090.97
Tabla 5
El uso práctico de la ecuación anterior y pruebas de fundición harán mejorar el criterio para
ampliar el rango de aplicación de velocidades en trabajos a realizarse por primera vez.
- 21 -
Ahora bien, al haber determinado las velocidades de rotación se calculara los esfuerzos generados
debido a la inercia rotacional tanto del molde como del buje, lo cual se encuentra definido así:
σt =
2
2
 2
3+µ
r ⋅r
1+3⋅µ 2
2
⋅ ρ ⋅ ω 2 ri + r0 + i 2 0 −
⋅r 
8
r
3+ µ


2
2
 2

ri ⋅ r0
3+ µ
2
2
2
σr =
⋅ ρ ⋅ ω ⋅ ri + ro −
−
r

8
r2


Eq. 13
Eq. 14
El valor del esfuerzo tangencial máximo corresponde cuando r = ri a saber:
σ t _ max imo =
3+ µ
 2 (1 − µ ) 2 
⋅ ρ ⋅ ω 2 r0 +
⋅ ri 
4
3+ µ


Eq. 15
El esfuerzo radial máximo corresponde cuando r = ri ⋅ ro , a saber:
σ r _ max imo =
3+ µ
⋅ ρ ⋅ ω 2 ⋅ (ri − ro ) 2
8
Eq. 16
Como una consideración de diseño se evaluara los siguientes casos:
CONSIDERACIONES
El molde se encuentra
totalmente vacío.
Velocidad de
Diámetro interno de la
rotación
fundición instantáneo
1390.74 RPM
N/A
1309.74 RPM
2.5”
El molde se encuentra
totalmente lleno del metal a
ser fundido
Tabla 6
- 22 -
Las condiciones anteriores se analizará lo siguiente:
•
Esfuerzo Tangencial debido a la presión interna
•
Esfuerzo Tangencial debido a la rotación máxima.
•
Esfuerzo Radial debido a la presión interna.
•
Esfuerzo Tangencial Neto.
Como se puede observar se analizara el efecto de las variables presión y rotación máxima en la
cual estará sometido el sistema molde-buje con la finalidad siguiente:
•
Realizar una proyección del comportamiento mecánico del molde a la condición más
desfavorable.
•
Identificar los arcos del molde y de la fundición que estará sometida a los esfuerzos más
críticos.
•
Generar una confiabilidad en los datos obtenidos en la ecuación que relaciona las rpm
con el diámetro interno de la fundición.
•
Generar una confiabilidad de la resistencia del molde y del buje a las condiciones mas
extremas de la fundición.
A continuación se muestra el comportamiento del molde y buje para distintos tipos de
condiciones, a saber:
•
CASO: Rotación del molde sin ingresar el metal fundido.
AREA: MOLDE
Diámetro del
Esfuerzo
molde
Tangencial (psi)
Esfuerzo Radial
(psi)
Diámetro del
Esfuerzo
Esfuerzo Radial Diámetro
molde
Tangencial (psi)
(psi)
del molde
Esfuerzo
Esfuerzo
Tangencial (psi) Radial (psi)
4.125
0.00
0.00
5.25
0.00
0.00
6.5
0.00
0.00
4.25
0.00
0.00
5.5
0.00
0.00
7
0.00
0.00
4.5
0.00
0.00
5.75
0.00
0.00
7.25
0.00
0.00
4.75
0.00
0.00
6
0.00
0.00
7.5
0.00
0.00
5
0.00
0.00
6.25
0.00
0.00
7.75
0.00
0.00
Tabla 7
- 23 -
Esfuerzo
Esfuerzo
Tangencial
Tangencial
Efecto Neto
Efecto
debido a
debido al Efecto
( Psi )
Neto ( Mpa )
Presión
Rotacional
Interna
RPM
Radio
1,309.74
2.060
0.00
19,106.16
19,106.16
131.74
1,309.74
2.185
0.00
17,921.71
17,921.71
123.57
1,309.74
2.310
0.00
16,778.85
16,778.85
115.69
1,309.74
2.435
0.00
15,661.36
15,661.36
107.99
1,309.74
2.560
0.00
14,556.89
14,556.89
100.37
1,309.74
2.685
0.00
13,455.89
13,455.89
92.78
1,309.74
2.810
0.00
12,350.88
12,350.88
85.16
1,309.74
2.935
0.00
11,235.95
11,235.95
77.47
1,309.74
3.060
0.00
10,106.37
10,106.37
69.68
1,309.74
3.185
0.00
8,958.30
8,958. 30
61.77
1,309.74
3.310
0.00
7,788.63
7,788.63
53.70
1,309.74
3.435
0.00
6,594.81
6,594.81
45.47
1,309.74
3.560
0.00
5,374.72
5,374.72
37.06
1,309.74
3.685
0.00
4,126.58
4,126.58
28.45
1,309.74
3.810
0.00
2,848.93
2,848.93
19.64
1,309.74
3.875
0.00
2,172.46
2,172.46
14.98
Tabla 8
- 24 -
Efecto Neto Tangencial vrs Radio del Molde
140.00
Efecto Neto ( MPa )
120.00
100.00
80.00
60.00
40.00
20.00
-
1.000 2.000 3.000 4.000 5.000
Radio del Molde ( Pulgadas )
Graf. 2
•
CASO: MOLDE TOTALMENTE LLENO
AREA: MOLDE
Diámetro del
Esfuerzo
molde
Tangencial (psi)
Esfuerzo Radial
(psi)
Diámetro del
Esfuerzo
Esfuerzo Radial Diámetro
molde
Tangencial (psi)
(psi)
del molde
Esfuerzo
Esfuerzo
Tangencial (psi) Radial (psi)
4.125
22.28
12.45
5.25
15.64
5.80
6.5
11.91
2.07
4.25
21.28
11.44
5.5
14.69
4.85
7
10.95
1.11
4.5
19.51
9.67
5.75
13.86
4.02
7.25
10.54
0.70
4.75
18.01
8.18
6
13.13
3.29
7.5
10.17
0.33
5
16.74
6.90
6.25
12.48
2.64
7.75
9.84
0.00
Tabla 9
- 25 -
Esfuerzo
Esfuerzo
Tangencial
Tangencial
Efecto Neto
Efecto
debido a
debido al Efecto
( Psi )
Neto ( Mpa )
Presión
Rotacional
Interna
RPM
Radio
1,309.74
2.060
22.33
19,106.16
19,128.48
131.89
1,309.74
2.185
20.39
17,921.71
17,942.10
123.71
1,309.74
2.310
18.76
16,778.85
16,797.61
115.82
1,309.74
2.435
17.38
15,661.36
15,678.74
108.10
1,309.74
2.560
16.19
14,556.89
14,573.08
100.48
1,309.74
2.685
15.17
13,455.89
13,471.06
92.88
1,309.74
2.810
14.27
12,350.88
12,365.16
85.26
1,309.74
2.935
13.49
11,235.95
11,249.45
77.56
1,309.74
3.060
12.81
10,106.37
10,119.17
69.77
1,309.74
3.185
12.20
8,958.30
8,970.50
61.85
1,309.74
3.310
11.66
7,788.63
7,800.29
53.78
1,309.74
3.435
11.18
6,594.81
6,605.99
45.55
1,309.74
3.560
10.75
5,374.72
5,385.46
37.13
1,309.74
3.685
10.36
4,126.58
4,136.94
28.52
1,309.74
3.810
10.01
2,848.93
2,858.94
19.71
1,309.74
3.875
9.84
2,172.46
2,182.30
15.05
Tabla 10
- 26 -
Efecto Neto Tangencial vrs Radio del
Molde
140.00
120.00
Efecto Neto ( MPa )
100.00
80.00
60.00
40.00
20.00
-
1.000
2.000
3.000
4.000
5.000
Radio del Molde ( Pulgadas )
Graf. 3
•
AREA: BUJE
Diámetro del
buje
Esfuerzo
Tangencial
Esfuerzo Radial
Diámetro del
buje
Esfuerzo
Tangencial
Esfuerzo Radial
Diámetro
del buje
Esfuerzo
Tangencial
Esfuerzo
Radial
2.5
26.90
0.00
3.125
19.81
7.08
3.75
15.97
10.93
2.625
25.07
1.83
3.25
18.86
8.03
3.875
15.41
11.48
2.75
23.48
3.41
3.375
18.02
8.88
4
14.91
11.99
2.875
22.10
4.80
3.5
17.26
9.63
4.0625
14.67
12.22
3
20.88
6.01
3.625
16.58
10.31
4.125
14.45
12.45
Tabla 11
- 27 -
RPM
Radio
1,309.74
1,309.74
1,309.74
1,309.74
1,309.74
1,309.74
1,309.74
1,309.74
1,309.74
1,309.74
1,309.74
1,309.74
1,309.74
1,309.74
1.250
1.313
1.375
1.438
1.500
1.563
1.625
1.688
1.750
1.813
1.875
1.938
2.000
2.063
Esfuerzo
Esfuerzo
Efecto
Tangencial
Efecto Neto
Tangencial
Neto
debido a
Tangencial
debido al Efecto
Tangencial
(
psi
)
Presión
Rotacional
( MPa )
Interna
30,425.13
29,055.82
27,832.11
26,727.55
25,721.08
24,795.79
23,937.94
23,136.29
22,381.57
21,666.08
20,983.39
20,328.07
19,695.55
19,081.93
26.90
25.07
23.48
22.10
20.88
19.81
18.86
18.02
17.26
16.58
15.97
15.41
14.91
14.45
30,452.02
29,080.89
27,855.59
26,749.64
25,741.97
24,815.60
23,956.80
23,154.31
22,398.83
21,682.66
20,999.35
20,343.49
19,710.46
19,096.38
209.97
200.51
192.06
184.44
177.49
171.10
165.18
159.65
154.44
149.50
144.79
140.27
135.90
131.67
Tabla 12
Efecto Neto Tangencial del Buje
vrs. Radio de Buje
Esfuerzo Neto ( MPa )
220.00
200.00
180.00
160.00
140.00
120.00
100.00
1.000
1.500
2.000
2.500
Radio ( Pulgadas )
Graf. 4
A continuación se presentara un sumario de resultados poniendo de manifiesto los puntos críticos
mínimos y los puntos críticos máximos, a saber:
- 28 -
Tipo de Condición
Tipo de Esfuerzo
Valor mínimo
Valor Máximo
Tangencial
14.98 Mpa
131.74 Mpa
Radial
0 Pa
0 Pa
Tangencial
15.05 Mpa
131.89 Mpa
Radial
0 Pa
85,839.73 Pa
Tangencial
131.67 Mpa
209.97 Mpa
Radial
0 Pa
85,839.73 Pa
Molde totalmente vacío
Molde Totalmente lleno
Buje
Totalmente
Di = 2.5”
Formado
Tabla 13
Las conclusiones del cuadro de resultados es el siguiente:
•
El principal protagonista de generar algún tipo de falla ya sea del molde o del buje son los
esfuerzos tangenciales debido a la rotación.
•
No se posee cuanto será el Esfuerzo de fluencia del Bronce a ser ocupado mas sin
embargo según la literatura es 152 MPa ( 92% Cu y 8 % Sn ) lo cual el diámetro critico
interno es la fundición de 2.5”. Este tendera a sobrepasar esfuerzo de fluencia, a saber:
RPM
Radio
1,309.74
1,284.74
1,259.74
1,234.74
1,209.74
1,184.74
1,159.74
1,134.74
1,109.74
1,084.74
1.250
1.250
1.250
1.250
1.250
1.250
1.250
1.250
1.250
1.250
Esfuerzo
Tangencial
debido a
Presión
Interna
26.90
26.90
26.90
26.90
26.90
26.90
26.90
26.90
26.90
26.90
Esfuerzo
Tangencial
debido al Efecto
Rotacional
30,425.13
29,274.72
28,146.48
27,040.41
25,956.51
24,894.78
23,855.22
22,837.84
21,842.62
20,869.57
Tabla 14
- 29 -
Efecto
Efecto Neto
Neto
Tangencial ( psi ) Tangencial
( MPa )
30,452.02
29,301.61
28,173.37
27,067.30
25,983.40
24,921.68
23,882.12
22,864.73
21,869.51
20,896.47
209.97
202.03
194.26
186.63
179.16
171.83
164.67
157.65
150.79
144.08
Como se puede ver en la tabla sobrepasamos esfuerzo de fluencia, con esta velocidad estamos
evitando el “Efecto lluvia”, mas sin embargo estamos afectando otra área. Lo recomendable es
que cuando alcance su velocidad de rotación se tendría que disminuir a 1084.74 RPM. A una tasa
de 50
RPM/seg.
Los resultados anteriores muestran los esfuerzos tangenciales que se
alcanzarían si la pieza estuviera girando libremente en el espacio, se observa que estos, alcanzan
y superan peligrosamente el esfuerzo de fluencia del bronce; sin embargo, estos esfuerzos jamás
se desarrollaran, mientras la pieza este confinada en las paredes internas del molde. Así, nuestro
interés principal será entonces, garantizar que el molde no falle en condiciones de trabajo.
El diámetro interno de fundición de 3.0”. Tendera a sobrepasar esfuerzo de fluencia, a saber:
RPM
Radio
Esfuerzo
Tangencial
debido a
Presión
Interna
1,191.19
1.500
20.88
Esfuerzo
Tangencial
debido al Efecto
Rotacional
21,275.57
Efecto
Efecto Neto
Neto
Tangencial ( Psi ) Tangencial
( Mpa )
21,296.45
146.84
Tabla 15
Como se puede ver en la tabla no sobrepasamos esfuerzo de fluencia, con esta velocidad estamos
además de evitar el “Efecto lluvia”, estamos asegurando que no llegara a fluencia.
El diámetro interno de fundición de 3.5”. No llegara a sobrepasar esfuerzo de fluencia, a saber:
RPM
Radio
Esfuerzo
Tangencial
debido a
Presi ón
Interna
1,090.97
1.750
17.26
Esfuerzo
Tangencial
debido al Efecto
Rotacional
15,529.09
Efecto
Efecto Neto
Neto
Tangencial ( Psi ) Tangencial
( Mpa )
15,546.35
107.19
Tabla 16
Como se puede ver en la tabla no sobrepasamos esfuerzo de fluencia, con esta velocidad estamos
además de evitar el “Efecto lluvia”, estamos asegurando que no llegara a fluencia.
- 30 -
Es de hacer resaltar que no se ha realizado prueba alguna para poder demostrar si la velocidad de
rotación máxima es la recomendable según lo planteado por la literatura para que no exista el
efecto lluvia, mas sin embargo según las tablas anteriores podría delimitarse en futuras
fundiciones a las siguientes condiciones, para poseer una grado mas amplio de factor de
seguridad, es decir:
Diámetro interno
( Pulgadas)
Velocidad de
Rotación Máxima
( RPM )
2.5”
1084.74
3.0”
1091.19
3.5”
1090.97
Tabla 17
Es muy importante controlar adecuadamente la velocidad de rotación de lo contrario puede
ocurrir lo siguiente:
•
Una demarcada disminución de la velocidad de rotación puede causar deslizamiento y
resultar luego un perfil de superficie deficiente.
•
Una velocidad de rotación demasiado alta puede generar vibraciones que pueden terminar
en una segregación circunferencial, como ocasionar aumento de los
esfuerzos
circunferenciales suficientemente alta para causar una hendidura radial o grietas circulares
en la fundición.
El fenómeno de la vibración tendera a aumentar a medida que se va alcanzando la velocidad de
rotación requerida para acelerar el metal fundido,
encuentra en el arco, a pesar de la velocidad establecida.
- 31 -
y este puede “Derramarse” cuando se
Las propiedades del grafito del prototipo no se posee sus propiedades mecánicas, mas sin
embargo la literatura provee un dato de 100 MPa, el cual aumenta casi el doble cuando se somete
a una temperatura equivalente a 2500 C, por tanto se enuncia lo siguiente:
•
El molde sufre una deformación permanente sin la aplicación previa a la temperatura.
•
Se estima que cuando se precaliente el molde el valor del esfuerzo de fluencia aumente lo
suficiente para no tener una deformación permanente.
Teóricamente, debe ser posible producir el buje con un diámetro interior definido a ser fundido
en el prototipo centrífugo de fundición horizontal al ser girado a una fuerza G sumamente baja.
Sin embargo, la literatura menciona n la práctica, no funciona de esa manera. Esto es debido al
hecho que el metal fundido tiene que ser acelerado a tal velocidad antes que la fundición tenga
oportunidad para solidificar; al igual que el metal no resbale en sí mismo durante su periodo de la
solidificación, ya que de lo contrario podría producir una fundición deficiente.
Ahora bien se realizara un estudio del cambio de diámetro debido a la presión interna y a la
rotación del molde, éste tendrá una variación mínima de su diámetro y aún cuando los cambios
son relativamente pequeños. En la Fig. 6 se muestra esquemáticamente la sección transversal del
molde cuyo diámetro interno esta representado por di y diámetro externo d0 , exp uesto a una
presión interna pi y en él, a una distancia r del centro, un elemento que soporta una tensión
tangencial unitaria σt. La deformación unitaria ∆d que experimenta, según la teoría de la
deformación, un cilindro de diámetro d, siendo E el módulo de elasticidad del material, está dada
por la expresión:
Fig. 8
- 32 -
∆d =
σt
d
E
Eq. 17
Utilizando el valor de la tensión tangencial equivalente, y considerando que p0 = 0, por lo que se
da el valor máximo de σ t y la máxima deformación ∆d que podría esperarse para r = di /2, la Eq.
43es:

d i  (1 − µ ). pi .d i2 (1 + µ ). pi .d i2 .d 02  pi .di  d 02 + d i2
 2
∆ di = 
+
+ µ 
=
2
2
2
2
2
2

E  d0 − di
E  d0 − di
di d0 − di 

(
)
Eq. 18
El valor dado por la Eq. 44 nos provee la idea de la expansión del diámetro del molde, la
siguiente ecuación muestra el incremento a obtenerse concerniente al diámetro interno del buje en
el momento de la última etapa de fundición, a saber:
2

pi.di  di2 + di2

∆di2 =
+ µ
2
2


E Bronce  di − di2

Eq. 19
El desplazamiento resultante diametral total debido a la presión generada por el bronce es por
tanto:
δ diametral =
2
2
 pi.di  do 2 + di 2

pi.di  di + di2
+
+
µ
 2
+ µ 
2
2
2
 E
E Bronce  di − di2
molde  do − di


Eq. 20
Teniendo en cuenta que la rigidez del grafito es de 393 Gpa., y la del bronce es de: 110 Gpa, y
tomando en cuenta para la condición mas extrema, tendremos la siguiente tabla en donde muestra
los cambios de diámetros esperados debido la presión interna,
- 33 -
Incremento
Área
Diametral
Molde
0.000000392”
Buje
0.000005773”
Molde + Buje
0.000006164”
Tabla 18
tendremos la siguiente tabla en donde muestra los cambios de diámetros esperados debido los
esfuerzos tangenciales de la rotación,
Incremento
Área
Diametral
Molde
0.001384”
Buje
0.004938”
Molde + Buje
0.006322”
Tabla 19
Es de hacer notar que las expresiones anteriores muestran la deformación total sufrida por el buje
y por el molde debido solo a la presión interna del Bronce; ahora bien después de haber analizado
lo anterior, contemplaremos ahora la contracción térmica a sufrir en el momento de enfriamiento
de los metales, este dato se tomara en cuenta en el momento de realizar la sumatoria general del
desplazamiento, ya que el cambio de temperatura produce una deformación térmica unitaria, a
saber:
∆ tm =
δ Diametral.Termica. Molde
_
Eq. 21
a molde .di
_
Donde a molde es el coeficiente de dilatación térmica corresponde al molde (Grafito), teniendo un
valor de: 11 × 10 −6 (C ) −1 .
- 34 -
∆ tm =
δ Diametral.Termica. Bronce
Eq. 22
_
a Bronce .di
_
Donde a Bronce es el coeficiente de dilatación térmica corresponde al Buje (Bronce), teniendo un
valor de: 18 × 10 −6 (C ) −1 .
Por lo que la deformación diametral térmica total es:
_
_
δ Diametral.Termica.Total = di ⋅ ∆tm ⋅ ( a Buje + a Molde)
Eq. 23
Por tanto la variación total del diámetro interno en el molde y la fundición es el siguiente:
Decremento
Área
Diametral
Molde
0.04628”
Buje
0.0459”
Molde + Buje
0.09218”
Tabla 20
viii. Comportamiento Térmico del Molde.
Se puede demostrar que la variable térmica juega un papel importante en la variación
dimensional del buje y del molde. Por lo que se desarrollara a continuación un modelo
matemático para la predicción del comportamiento térmico y calor instantáneo de transferencia
al medio, del proceso de fundición centrífuga., para poder estimar el tiempo de fundición.
Los criterios prácticos a tener en cuenta para la velocidad de rotación son:
- 35 -
•
La conductividad térmica del molde.
•
Temperatura de pre-operación del molde.
•
Tasa de solidificación del metal liquido.
•
Temperatura media del metal fundido.
El proceso se lleva a cabo en dos etapas:
1) Etapa de vertido del metal fundido ( Bronce ) al molde.
2) Etapa de solidificación del metal fund ido ( Bronce ) en el molde.
A continuación se detallaran los parámetros a usar en el desarrollo del modelo, a saber:
•
m : La razón de flujo masico del metal liquido entrando al molde ( 0.24 ⋅
kg
.Asunción de flujo
s
constante ).
Cp : Calor especifico del bronce a presión constante. ( 368 .44 ⋅
W
)
m2K
Cv : Calor especifico del bronce a volumen constante. ( 368 .44 ⋅
W
)
m2K
Tl : Temperatura del bronce liquido entrando al molde.
T : Temperatura de Enfriamiento en función del tiempo.
h : Coeficiente de película promedio ( 33 ⋅
W
. Calculada a partir de la Correlación empírica de
m2 K
Hilpert para Cilindros).
As : Área Superficial Externa del molde.
T∞ : Temperatura del aire rodeando el lado externo del molde.
- 36 -
ε : Emisividad Hemisférica del Grafito ( 0.6 )
σ : Constante de Estefan Boltzman ( 5.67 x10 −8 ⋅
W
)
m2K
M : Masa Total del Buje de menor diámetro interno: 2.5” ( 14.66 Kg.).
. ? = Densidad promedio del bronce en el proceso ( 0.3927
lb
)
in 3
Una consideración a tomar en cuenta es que el bronce liquido es incompresible, por lo que Cp =
Cv = C;
La razón de transferencia de calor aproximada en el tiempo vendría dada por:
q = h ⋅ As ⋅ (T − T∞ ) + ε ⋅ σ ⋅ T 4
Eq. 24
Donde “T” es la temperatura en función del tiempo.
A continuación se desarrollara un esquema de entendimiento del fenómeno de transferencia de
calor del molde en la etapa de Vertido del material, a saber:
Haciendo un balance de energía tenemos:
*
*
*
E ent − E sal = E sist
Eq. 25
*
m* Cp * (TL − T ) − h * As * (T − T∞ ) − ε * σT 4 = M * Cv *
Dado que el bronce liquido es incompresible, Cp = Cv = C;
- 37 -
dT
dt
Eq. 26
Resolviendo la ecuación anterior:
dt =
M *C
*
m* C * (TL − T ) − h * As * (T − T∞ ) − ε * σ * T
∫ dt = ∫
dT
Eq. 27
4
M *C
Eq. 28
dT
*
m* C * (TL − T ) − h * As * (T − T∞ ) − ε * σ * T
4
Para integrar esto se recurrió a la regla trapezoidal con ?T= - 1 K
Como sigue:
Sean:
F (T ) =
M *C
*
m* C * (TL − T ) − h * As * (T − T∞ ) − ε * σ * T
Eq. 29
4
Se sustituyeron los siguientes datos:
2
M
14,66 Kg.
TL
13,73 K
As
0,189 m
Cp
368.44W/m2K
Ta
353 K
?
0,6
0,244 Kg./s
h
33 W/m K
S
5,67*10-8 W/m K
*
m
2
2
Tabla 21
(El flujo másico se calculo de tal manera que el molde sea llenado en un minuto, tiempo
razonable, además de flujo factible)
- 38 -
A continuación se muestra parte una tabla que muestra los resultados anteriormente enunciados.
Transferencia de
Temperatura
F(T)
? t (s)
.t (s)
Calor
instantánea
calor
? Q(J/m 2)
2
ambiente
2
(W/m )
K
liberado al
(J/m )
ªC
1100 1373
-0,0424436
Tiempo(s)
Diferenciales
1099 1372 -0,04259354 0,04251857
1098 1371 -0,04274427 0,0426689
0,08518747
55796,6898
1097 1370 -0,04289582 0,04282005 0,12800752
55610,5624
55703,6261
55703,6261
1096 1369 -0,04304818
*
0,042972
0,17097952
55424,9263
55517,7443
111221,37
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
738
1011
-7,61E-01
7,48E-01
5,41E+01
1,42E+04
14.226,06 11.250.723,65
737
1010
-7,87E-01
7,74E-01
5,48E+01
1,41E+04
14.165,13 11.264.888,78
736
1009
-8,15E-01
8,01E-01
5,56E+01
1,41E+04
14.104,42 11.278.993,19
735
1008
-8,45E-01
8,30E-01
5,65E+01
1,40E+04
14.043,93 11.293.037,12
734
1007
-8,77E-01
8,61E-01
5,73E+01
1,40E+04
13.983,66 11.307.020,77
733
1006
-9,12E-01
8,94E-01
5,82E+01
1,39E+04
13.923,61 11.320.944,38
732
1005
-9,49E-01
9,31E-01
5,92E+01
1,38E+04
13.863,78 11.334.808,16
731
1004
-9,90E-01
9,70E-01
6,01E+01
1,38E+04
13.804,17 11.348.612,32
*
*
*
*
Tabla 22
- 39 -
La grafica siguiente resume los resultados de mayor importancia:
Temperatura vrs. Tiempo ( Etapa de Vertido )
1150
y = 2E-08x6 - 5E-06x5 + 0,0005x4 - 0,0247x 3 + 0,872x2 - 23,26x + 1099,9
Temperatura ( Celcius )
1100
1050
1000
950
900
850
800
750
700
0,00E+00
1,00E+01
2,00E+01
3,00E+01
4,00E+01
5,00E+01
6,00E+01
7,00E+01
Tiempo ( seg )
Graf. 5
El modelo muestra que después de 1 minuto (60 segundos ) que es el tiempo de vertido, la
temperatura promedio del bronce es de 731 grados centígrados.
A continuación se desarrollara un esquema de entendimiento del fenómeno de transferencia de
calor del molde en la etapa de solidificación del material que se dará a continuación de la etapa
anterior.
- 40 -
Haciendo un Balance de Energía tenemos:
*
*
*
E ent − E sal = E sist
Eq. 30
− h * As * (T − T∞ ) − ε * σT 4 = M * C *
dT
dt
Eq. 31
Resolviendo:
dt =
− M *C
dT
h * As * (T − T∞ ) + ε *σ * T 4
Eq. 32
− M *C
dT
4
∞ ) + ε *σ *T
∫ dt = ∫ h * As * (T − T
Eq. 33
El método para integrar la ecuación anterior se realizara por medio de la “ Regla Trapezoidal”
teniendo un ? T= - 1 K
Sea:
F (T ) =
− M *C
h * As * (T − T∞ ) + ε *σ * T 4
Eq. 34
La transferencia de calor instantánea viene dada por la Eq. 50, lo cual al sustituir lo s siguientes
datos:
M
14,66 Kg.
Cp
13,73 K
As
0,189 m
368.44W/m K
Ta
353 K
?
0,6
0,244 Kg./s
h
33 W/m K
S
5,67*10-8 W/m K
2
*
m
2
TL
2
2
Tabla 23
Se obtiene a continuación se muestra parte una tabla que muestra los resultados anteriormente
enunciados:
- 41 -
Transferencia de
Temperatura
F(T)
? t (s)
t (s)
Calor Liberado
2
Calor
? Q(J/m )
2
al Ambiente
2
Instantánea(W/m )
(J/m )
-
C
K
730
1003
-1,43E-01
729
1002
-1,44E-01
0,14347571
728
1001
-1,44E-01
0,14401234
0,28748806
1,36E+04
727
1000
-1,45E-01
0,14455145
0,43203951
1,35E+04
13.567,90
13.567,90
726
999
-1,45E-01
0,14509305
0,57713256
1,35E+04
13.509,38
27.077,28
725
998
-1,46E-01
0,14563715
0,72276971
1,34E+04
13.451,07
40.528,34
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
195
468
-2,35E+00
2,33594486
353,759241
7,66E+02
770,07
2.657.615,69
194
467
-2,37E+00
2,35610305
356,115344
7,59E+02
762,83
2.658.378,52
193
466
-2,39E+00
2,37652074
358,491865
7,52E+02
755,59
2.659.134,11
192
465
-2,41E+00
2,39720276
360,889068
7,45E+02
748,38
2.659.882,49
191
464
-2,43E+00
2,41815406
363,307222
7,38E+02
741,18
2.660.623,67
190
463
-2,45E+00
2,43937971
365,746601
7,30E+02
733,99
2.661.357,67
189
462
-2,47E+00
2,4608849
368,207486
7,23E+02
726,82
2.662.084,49
188
461
-2,49E+00
2,48267497
370,690161
7,16E+02
719,67
2.662.804,16
187
460
-2,52E+00
2,5047554
373,194917
7,09E+02
712,53
2.663.516,69
186
459
-2,54E+00
2,52713178
375,722048
7,02E+02
705,40
2.664.222,09
185
458
-2,56E+00
2,54980989
378,271858
6,95E+02
698,29
2.664.920,37
184
457
-2,58E+00
2,57279562
380,844654
6,88E+02
691,19
2.665.611,56
183
456
-2,61E+00
2,59609504
383,440749
6,81E+02
684,10
2.666.295,67
182
455
-2,63E+00
2,61971438
386,060463
6,74E+02
677,03
2.666.972,70
181
454
-2,66E+00
2,64366004
388,704123
6,66E+02
669,98
2.667.642,67
180
453
-2,68E+00
2,66793856
391,372062
6,59E+02
662,93
2.668.305,60
Tabla 24
- 42 -
Temperatura vrs. Tiempo
( Etapa de solidificacion )
800
700
600
500
400
300
200
100
0
0
1000
2000
3000
4000
Tiempo ( seg )
Graf. 6
Observaciones:
•
En esta grafica t = 0 es cuando comienza la etapa de solidificación, inmediatamente
después de la etapa de vertido
•
En t = 360.89 segundos (6 minutos) el bronce ya ha alcanzado una temperatura de 192 C,
temperatura a la cual, ya no hay duda que esta en estado sólido.
•
El tiempo total entonces; es de 7 minutos que se desglosa de esta manera: 1min (tiempo
de vertido) + 6 minutos (tiempo de enfriado) = 7 minutos. Lo cual cuadra con resultados
experimentales consultados en la literatura, para diámetros similares.
•
Considerando que el bronce ya estaría sólido en unos 400 C; el tiempo total requerido del
proceso será de 4 minutos, la cual se desglosa de la siguiente manera: 1 min. ( tiempo de
vertido )+ 3 min. (tiempo de solidificación).
A continuación se muestra el proceso de enfriamiento de la fundición en función del tiempo, a
Saber:
- 43 -
TEMPERATURA vrs. TIEMPO
1200
1100
TEMPERATURA (celcuis)
1000
900
800
700
SOLIDIFICACION
600
VERTIDO
500
400
300
200
100
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900 1000
TIEMPO (seg)
Graf. 7
De las graficas anteriores se pueden tomar en cuenta las siguientes observaciones en el momento
de la fundición, a saber:
•
El perfil de velocidades de rotación determinaran la rapidez de solidificación y por lo
tanto las características metalúrgicas que tendrá el metal fundido.
•
Si la solidificación del metal ocurre rápidamente, posee falta de fluidez, por lo que se
deberá incrementar la tasa de vertido y velocidad de rotación, correspondientemente.
•
Es muy importante girar el molde a una velocidad de rotación que cambie la fuerza “G ”
a medida se incremente las capas de material entregado, esto es debido a que si se
mantiene las misma “G” aplicada, ocurrirá un desprendimiento entre el metal fundido de
la superficie del molde en rotación o la capa previamente depositada de metal.
•
Cuando el nuevo metal fundido pase por primera vez encima del eje neutro del molde, se
mueve a sólo una fracción de la velocidad máxima. No es hasta después que la inercia es
superada y el metal se acelera hasta alcanzar la velocidad del molde.
- 44 -
•
El grado en el que el deslizamiento ocurre esta determinado en función de la fricción en la
superficie de contacto; por lo que la fricción aumenta con la aspereza de la superficie, la
viscosidad del metal líquido, y los factores que aceleran solidificación ( Temperatura del
molde y Razones de transferencia de calor).
•
Una vez la capa inicial del metal se ha alojado en la superficie del molde, es necesario
acelerar todo el metal siguiente a un diferencial mayor de G. Esto agrega una dependencia
clara de la tasa de vertido, por lo que a mayor volumen halla sido entregado del metal,
mayor será la velocidad exigida para sostenerlo. Debido a que existirá: Un incremento de
inercia por el aumento de la masa de bronce, así como una disminución
proporcionalmente directa de la fricción producto del grado de cantidad de baño líquido
que se posea.
•
Existe ciertamente un amplio rango de velocidades de rotación permisibles entre el
mínimo para la entrega y extensión eficaz del metal líquido así como el máximo dictados
por la necesidad de evitar el efecto lluvia o la vibración de la máquina. Es deseable
empezar vertiendo con una velocidad de rotación baja para que las tensiones estén en un
mínimo durante las fases tempranas de solidificación. Entonces, la velocidad puede
aumentarse gradualmente a medida que el molde se esta llenando, por lo que la velocidad
máxima se obtendrá cuando se termine la entrega de material.
ix. Las poleas.
Para poder escoger el diámetro de polea que necesitaremos para generar nuestros bujes se utilizo
el concepto de transmisión de velocidades tangenciales por contacto lo cual va variando su
velocidad angular dependiendo el emisor y el receptor del movimiento, a continuación se detalla
las velocidades teóricas del sistema.
- 45 -
Diámetro
RPM
Interno de
Fundición
2.5”
1309.74
3”
1191.19
3.5”
1090.97
Tabla 25
•
Generar un Diámetro interno de la fundición de: 3.5"
•
•
•
•
Radio de transmisión molde-rodo: 3.375".
Radio de transmisión rodo: 2".
Velocidad de rotación requerida en el molde: 1090 RPM .
Velocidad Angular del molde: 114.14 rad/seg.
•
•
•
Velocidad tangencial del molde: 385.24 pulg/seg.
Velocidad angular de la polea 192.61 rad/seg.
Velocidad de rotación teórica del eje de transmisión: 1839.38 RPM.
•
•
•
•
Velocidad de rotación del motor: 3750 RPM.
Velocidad angular del motor: 392.7 rad/seg.
Radio de polea del motor: 2”
Velocidad tangencial de la polea del motor: 785.4 pulg/seg.
•
•
Diámetro teórico requerido de polea de transmisión: 8.14".
Diámetro disponible en el mercado 8". Velocidad del eje de transmisión a desarrollar:
1875 RPM.
Se espera tener un aumento de velocidad de 1.94 %.
•
- 46 -
•
Generar un Diámetro interno de la fundición de: 3"
•
•
Velocidad de rotación requerida en el molde: 1191.19 RPM.
Velocidad de rotación teórica del eje de transmisión: 2010 RPM.
Diámetro disponible en el mercado 7". Velocidad a desarrollar: 2142 RPM.
•
•
•
•
•
•
Velocidad de rotación requerida en el molde: 1309.74 RPM .
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Diámetro disponible en el mercado 6". Velocidad a desarrollar: 2500 RPM.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
En todos los casos se tomo el diámetro menor sugerido teórico como factor de seguridad debido a
las perdidas mecánicas que puede n existir en el momento de la fundición.
- 47 -
Se determino a partir de la distancia que se poseía entre el eje de transmisión y el eje del motor el
perímetro de la faja a ser utilizado, a saber:
L = (2.Cd ) 2 − ( D 2 − D1 ) 2 +
π
π .( D2 − D1 )
 D − D1 
⋅ ( D1 + D2 ) +
⋅ sen −1 ⋅  2
 Eq. 35
2
180
 2 ⋅ Cd 
Donde:
L: Es el perímetro de la faja.
Cd: Es la distancia propuesta entre el eje de rotación del motor y el eje de transmisión.
D1: Es el diámetro de la polea del motor.
D2: Es el diámetro de la polea mínima de transmisión.
Teniendo lo siguiente:
D1 (Impulsora) = 4”
D2 (Impulsada) = 6”
Cd = 25”
Tendremos un perímetro de la faja igual a:
L = 65.75”
Especificación técnica de los elementos.
Se ocupara una faja A65.
x. La caja que rodea al molde.
La Estructura de seguridad del molde, se diseño para los siguientes:
•
Proveerle al vertedero un apoyo para la sujeción.
•
A los rodos superiores (Ayuda a mantener el molde en su posición previo a su rotación)
una apoyo para la sujeción.
- 48 -
•
Proveerle al personal involucrado en la fundición una seguridad contra alguna fuga que
pudiera existir en el molde del metal líquido.
•
Proveerle al personal involucrado en la fundición una medida de protección se llegara a
fallar el molde.
xi. El vertedero.
El material que se dispuso posee las características siguientes:
•
Material con un elevado punto de fusión.
•
Recipiente cilíndrico que permite contener instantáneamente el metal liquido, revestido de
cemento refractario para disminuir la tasa de transferencia de calor al medio y poder
aprovechar así la energía térmica que incide muy marcadamente en la fluidez del metal
liquido.
•
Posee un canal semicircular que le permitirá la conducción del metal líquido del
recipiente al molde. Lo cual al igual que el recipiente deberá estar revestido con cemento
refractario por lo antes expuesto.
Propiedades del Material.
- 49 -
RECIPIENTE
Material Metálico
Hierro Clase C
Temperatura de Fusión
1535 C
Cemento
Material de Revestimiento
Refractario
Temperatura de Operación
1200 C
Máxima
CANAL
Material Metálico
Hierro Clase C
Cemento
Temperatura de Fusión
Refractario
Material de Revestimiento
1535 C
Temperatura de Operación
1200 C
Máxima
Tabla 26
Dimensiones del recipiente y del canal.
RECIPIENTE
Diámetro
6”
Largo
7”
Espesor
3/16”
CANAL
Diámetro
1.5”
Largo
5”
Espesor
1/8 “
Tabla 27
- 50 -
Angulo de inclinación del canal
El canal se encuentra dispuesto a un ángulo de inclinación de 20 grados con respecto al eje de
rotación del molde y 5 grados con respecto al plato horizontal para hacer efectivo lo siguiente:
•
Procurar que el líquido que ingrese se le facilite el seguimiento de la rotación de la
cavidad a la cual esta siendo entregada.
•
Procurar depositar el metal líquido al molde evitando salpiques de este.
CAPITULO V: FABRICACIÓN Y PRUEBA DEL PROTOTIPO I.
i. Descripción del proceso de fabricación de los componentes.
1. Elaboración del Molde de Grafito:
El material tenía las siguientes medidas en bruto 9 ¼” de diámetro y 14 ½” de longitud. Los
procesos de máquinado que se le hicieron al molde para llevarlo a las medidas diseñadas fueron
los siguientes:
a) Refrentado para llevarlo de 14 ½” a 13 ½”, ya que de este material tenían que salir las
tapaderas o bridas que lleva el molde, el tiempo consumido en este paso fue de 0.6 hrs.
b) Cilindrado para reducir de 9 ¼” a 8 ¾”, ya que las tapaderas y los extremos del molde
tienen este diámetro para la sujeción entre ellos, tiempo utilizado 2 hrs.
c) Corte de tapaderas o bridas, dejando el molde con una longitud de 12”, tiempo utilizado 2
hrs.
d) Abertura agujero de 4” de diámetro a lo largo del molde, tiempo utilizado 1 hr.
e) Abertura agujero de 1 ½” de diámetro a lo largo de las bridas o tapaderas, tiempo 0.5 hrs.
f) Cilindrado en la parte central del molde llevándolo de 8 ¾” a 7 ¾”, para tener el espesor
requerido en el molde, tiempo utilizado 5 hrs.
g) Elaboración de tres ranuras en el molde de 1” de espesor por 1” de profundidad, las cuales
sirven como guía y contacto con los rodos que transmiten el giro, tiempo utilizado 2.5 hrs.
h) Cilindrado interior del molde para tener una pendiente del 3% y diámetro en un extremo
de 4? ”, para poder sacar el buje fácilmente, tiempo utilizado 3.6 hrs.
- 51 -
i) Taladrado de 4 agujeros en extremos de tapaderas o bridas y en el molde, para unirlos
mediante pernos, tiempo utilizado 0.5 hrs.
j) Pegado de cinta anti-deslizante en ranuras, tiempo 0.5 hrs.
Recordando que el grafito es un material muy frágil, haciendo que su maquinada sea lenta pero
fácil.
2. Bancada.
Pasos para la elaboración de la Bancada, el materia l utilizado fue ángulo de hierro de 2”x2”x ? ”,
lamina de hierro negro de ? ” de espesor, platina de 2”x ¼”.
a) Se cortaron las piezas de ángulo según las dimensiones diseñadas, tiempo 6 hrs.
b) Soldadura de las piezas que forman la parte de la base, para obtener la estructura principal
que sostiene todo el equipo, tiempo 4.5 hrs.
c) Soldadura de las piezas para formar la parte superior, la cual cubre al molde, tiempo 3 hrs.
d) Corte de piezas de lamina de hierro negro para, base de motor, tapaderas superiores y
laterales del cuerpo que cubre el molde, tiempo 1.5 hrs.
e) Soldar bisagras en las tapaderas de lamina de hierro, tiempo 0.3 hrs.
f) Soldar tapaderas y bisagras a bancada, tiempo 0.3 hrs.
g) Instalación y alineado de chumaceras, donde iran ejes de transmisión, tiempo 4.75 hrs.
h) Cortar platina donde se soldaran rodos guías, en la parte superior sobre molde, tiempo
0.25 hrs.
i) Pintar bancada, tiempo 0.5 hrs.
3. Sistema de Transmisión.
Pasos para elaboración y ensamble ejes y rodos en el sistema de transmisión.
a) Cilindrado de un eje con las mediadas de 4 ¼” a 4”, tiempo 3 hrs.
b) Corte de 6 rodos con espesor de 1? ”, tiempo 6 hrs.
c) Refrentado de cada uno de los rodos, para llevarlo a 1”, 2 hrs.
d) Abertura agujero de 1” de diámetro en 3 rodos, para instalarlos en eje, tiempo 1 hr.
e) Abertura agujero de 1 ¼” de diámetro en 3 rodos, para instalarlos en eje, tiempo 1 hr.
- 52 -
f) Abertura de agujero de ¼” y elaboración de rosca para prisioneros en cada uno de los
rodos, tiempo 0.6 hrs.
g) Instalación de ejes en chumaceras, tiempo 0.6 hrs.
h) Instalación de rodos en ejes, tiempo 0.3 hrs.
i) Soldadura de 3 rodos en la platina superior, sobre el molde, tiempo 0.5 hrs.
j) Apriete de prisioneros en chumaceras y rodos, tiempo 0.2 hrs.
k) Recubrimiento de cinta anti-deslizante en todos, tiempo 0.2 hrs.
l) Abertura agujero de 1 ¼” en poleas de aluminio, tiempo 0.5 hrs.
m) Fabricación de polea de hierro fundido de 4” para le motor, tiempo 2.25 hrs.
n) Montaje de poleas en eje y motor, tiempo 1.25 hrs
ii. Descripción del ensamblaje para formar la máquina.
El molde para lograr su rotación y su precalentamiento debe disponerse en los rodos (6 unidades)
en la que por el cual además de servirle como apoyo servirá para transmitir la rotación al molde
por medio de rodamiento.
Previo a la disposición del molde debe de hacerse lo siguiente:
•
La superficie de los rodos se encuentran provistos de una cinta antideslizante ( Resistente
a la Abrasión), debe de supervisarse que sea continua y no exista discontinuidades en el
mismo.
•
Debe de limpiarse toda la superficie rugosa con agua tibia para crear un entorno lo
suficientemente adecuado para permitir el rodamiento.
•
La superficie de los rodos debe de palparse y evaluar si esta posee suficiente superficie
rugosa, así como la falta de discontinuidades en el mismo.
- 53 -
•
El canal de rodamiento del molde se encuentra provisto de igual manera de una cinta
antideslizante deberá seguirse las mismas recomendaciones que los rodos de transmisión
Después de haber checado lo anterior debe de verificarse 2 de los 6 rodos los cuales deberán estar
ajustados con el eje de transmisión, los 4 restantes se encontraran sin sujeción alguna, a saber:
- 54 -
ID.
DISPOSICIÓN
Condición
Rodo
:
4
1
5
2
6
1
Sujeto
2
Libre
3
Sujeto
4
Libre
5
Libre
6
Libre
3
Tabla 28
- 55 -
Después de haber dispuesto el molde debe de verificarse lo siguiente:
•
El molde posee en el diámetro interior una conicidad 3%, lo cual se deberá de verificar lo
siguiente:
Variable
Diámetro
Interno
Extremo
Extremo de
de Ingreso
Egreso
4”
4.125”
Tabla 29
Donde:
El Extremo de Ingreso: Es el extremo del molde donde ingresa el canal del vertedero es decir
frente a la compuerta principal.
El Extremo de Egreso: Es el extremo del molde donde el molde expulsara los gases de
fundición.
•
Un asentamiento del 100% del molde sobre los rodos. ( No debe de existir luz alguna
entre el molde y los rodos).
- 56 -
•
Debe de disponerse sobre el molde los rodos superiores, los cuales se encontraran
dispuestos en una platina en la cual el eje físico geométrico mas largo se encuentre
paralelo al eje axial del molde, así como se muestra la siguiente figura:
- 57 -
Los rodos superiores ayudaran al molde a:
•
Mantener el molde cuando este en rotación en el eje axial previo a su movimiento
rotacional.
•
Ayudar al molde a que posea una rotación uniforme, es decir disminuir las posibilidades
de aceleración del molde.
Luego se empernara los flanges en cada extremo del molde.
Cuando se halla dispuesto el molde y se halla cumplido con éxito lo anteriormente es conveniente
que se consulte la tabla siguiente la cual será utilizada para escoger el diámetro de la polea
dependiendo el diámetro interno requerido, a saber:
Diámetro de Polea
( Pulg.)
Diámetro Interno
de Buje
RPM
( Pulg.)
6”
2.5”
1309.74
7”
3”
1191.19
9”
3.5”
1090.97
Tabla 30
- 58 -
Para hacer posible lo anterior es necesario situar el motor de tal manera que posea la tensión
adecuada para ello, se debe hacer el siguiente procedimiento:
•
El motor esta situado en una platina en la que por el cual dependiendo el diámetro de la
polea a ser utilizada así será el ángulo de inclinación que tendrá.
•
Depuse de haber dispuesto el motor con la polea a ser utilizada se instala un tensor.
•
El tensor se ajusta solo para mantener el ángulo de inclinación debido a que solo con el
peso de este hace posible tensarlo adecuadamente. Pero por razones de seguridad se debe
de instalarse.
Las poleas tienen provisto prisioneros que hacen posible ajustarlo con el eje de transmisión de
acuerdo a las necesidades
- 59 -
Se dispone ahora el quemador con la única precaución que el eje de transmisión no vaya a estar
demasiado cerca de la cavidad de la bancada de este.
- 60 -
Se deberá disponer el vertedero en la compuerta principal teniendo mucho cuidado de no dañar el
flanje cuando ingrese el canal del vertedero.
- 61 -
iii. Descripción y resultados de las pruebas de funcionamiento en vacío que se ejecutaron
Se realizaron cinco pruebas de funcionamiento, a saber:
PRUEBA “A”
Descripción.
Tras haber instalado la faja a la polea de 9”, y las conexiones eléctricas para accionar el motor de
3HP. Se procedió a realizar la primera prueba sin el molde y el resultado fue la presencia de un
ruido en el eje de transmisión, seguidamente se probó con la polea de 7”, y el resultado fue el
mismo.
Análisis de la prueba.
En el momento de la prueba se escucho un sonido producto de una vibración, en ese sentido no se
percibió un movimiento axial o radial excesivo lo cual se omitió la posibilidad de que pueda ser
tal vibración debida a Desbalance o desalineamiento, en el momento de la desinslatacion de las
poleas se percibió una holgura de estas con el eje de transmisión que es una causa suficiente para
afectar enormemente la línea central del eje de rotación de la polea con el eje de rotación del eje
de transmisión provocando así la generación de tal vibración debida a Excentricidad.
La calidad de máquinado del eje tuvo que repercutir en ello ya que este no fue muy constante a lo
largo de toda la flecha.
- 62 -
Solución.
Cambio del diámetro interno a 1.25” de la polea para generar coincidencia del eje geométrico y
del eje de rotación.
Cambio del eje de transmisión de 1.25”.
Cambio de 4 chumaceras de 1.25”
Cambio de diámetro interno de los rodos a 1.25”
No se opto por cambiar las poleas porque se volvería a caer en el mismo problema de
excentricidad.
Se aumento la rigidez del sistema.
PRUEBA “B”
Descripción.
Al haber realizado el cambio de eje y de chumaceras, se instalo la faja a la polea de 9”, y las
conexiones eléctricas para accionar el motor de 3HP. Se procedió a realizar la segunda prueba sin
el molde y el resultado fue la ausencia del ruido en el eje de transmisión, luego se dispuso el
molde con la platina de rodos superiores ( Seguridad ) asegurándolos en la estructura de
seguridad por medio del uso de “SARGENTOS” se volvió a accionar y el resultado fue lo mismo,
luego se probo con la polea de 7”, y el resultado fue igual. No se observo ninguna otra anomalía.
La prueba fue un éxito
PRUEBA “C”
Tras haber instalado la faja a la polea de 9”, y las conexiones eléctricas para accionar el motor de
3HP. Se procedió a realizar la tercera prueba con el molde y el resultado fue la presencia de un “
Chispas”, no se observo otra anomalía.
Análisis
Debido a que la “PRUEBA B” se sujeto la platina superior de rodos por medio de los sargentos,
cabe la posibilidad que halla existido un aflojamiento de estos promoviendo de esta manera que
- 63 -
no estuviera lo suficientemente sujeto los rodos superiores provocando de esta manera que este
“tocara” el perfil de la pista de rodamiento del molde y cuyo causa ocasiono la generación de
chispas.
Solución
Se emperno la platina con la estructura de seguridad para evitar ello.
PRUEBA “D”
Descripción.
Al haber empernado los rodos superiores y realizado el cambio de eje y de chumaceras, se instalo
la faja a la polea de 9”, y las conexiones eléctricas para accionar el motor de 3HP. Se procedió a
realizar la segunda prueba sin el molde y el resultado fue la ausencia del ruido en el eje de
transmisión, luego se dispuso el molde con la platina de rodos superiores ( Seguridad )
asegurándolos en la estructura de seguridad por medio del uso de pernos, se volvió a accionar y
no se observo en algún momento chispa alguna, sin mostrar presencia de algún ruido en el
sistema, luego se probo con la polea de 7”, y el resultado fue igual. No se observo ninguna otra
anomalía.
•
La sujeción adecuada de los rodos permite una buena transmisión de velocidad.
•
La sujeción adecuada de los rodos superiores a la estructura de seguridad promoverá la
ausencia de movimiento relativo de estos.
•
El uso de poleas que coincida su centro geométrico con su centro de rotación es
fundamental para la ausencia de ruido.
- 64 -
PRUEBA “E”
La intención de esta prueba era corroborar la transmisión de la velocidad al molde, lo cual los
resultados se muestran en la siguiente tabla. Es de hacer notar que existió un cambio de la polea
de 8” de diámetro con una de 9” de diámetro debido a que hubo un error en el envío de este al
taller, mas sin embargo se obtuvo el siguiente perfil de velocidades.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Velocidad de rotación requerida en el molde: 1090 RPM .
Diámetro disponible en el envío 9". Velocidad del eje de transmisión a desarrollar:
1663.88 RPM.
Se espera tener un decremento de velocidad de 9.54 %.
•
MOTOR
Diámetro
De Polea
4”
Velocidad
de
Rotación
3540 RPM
EJE DE TRANSMISION
Diámetro
de Polea
Velocidad
MOLD E
Diámetro Velocidad
de
de
de
Rotación
la Pista
Rotación
6”
2175 RPM
7”
1982 RPM
9”
1656 RPM
Tabla 31
- 65 -
6.75”
BUJE
Diámetro
Interno
1260 RPM
2.5”
1174 RPM
3”
1039 RPM
3.5”
Se puede observar que no afecto en gran medida la rotación del molde en relación a lo requerido
por la fundición de 3.5”
Se puede observar una perdida de velocidad de la siguiente manera
Diámetro
RPM
RPM
Teórica
Reales
2.5”
1309.74
1260
3.80%
3”
1191.19
1174
1.44%
3.5”
1090.97
1039
4.75%
Interno de
Fundición
% de
Reducción
Tabla 32
A continuación se muestran las fotografías de la prueba con los ajustes realizados, a saber:
- 66 -
SUMARIO DE CAMBIOS REALIZADOS.
Se realizaron cambios en el prototipo de la máquina de fundición centrífuga en diferentes partes
para que el proceso fuera más efectivo y existiera una mejor transmisión del movimiento, estos
cambios fueron los siguientes:
1. Aumento del diámetro del eje principal de transmisió n de 1” a 1 ¼” este cambio se
realizo por diferentes motivos:
•
Existiera una mayor resistencia a la flexión aunque con el diámetro de 1” la
deformación que se tenía era adecuada.
•
Vibración excesiva debido a la mala alineación y ajuste de las poleas con el eje de
1”, este problema del ajuste y mala alineación se dio ya que se compraron
chumaceras milimétricas (25mm) y el eje era de 1” debido a esto se tuvo que
maquinar el eje para llevarlo a la medida, pero existieron errores en las medidas
finales, abonado a esto al perforar el agujero de las poleas no se centraron tanto
axialmente como radialmente y la broca utilizada fue de 1” no de 25mm.
Debido a estos cambios se tuvieron que sustituir las chumaceras de 1” por unas de 1 ¼”,
maquinar las poleas para el nuevo diámetro teniendo en cuenta el centrado axial y radial de estas;
el resultado de este cambio fue satisfactorio ya que se elimino el problema de vibración que era el
más preocupante.
2. Cambio de forma de la Bancada: Se realizo para que existiera una mejor distribución de
las diferentes partes del prototipo y una mejor estabilidad de la estructura, para evitar
algún tipo de vibración.
3. Ubicación del quemador: la ubicación que se había pensado no era la adecuada para que
se diera un calentamiento uniforme en la parte interna de todo el molde.
4. Forma del deposito para la inyección del material: La fabricación del deposito era muy
complicada por lo tanto se pensó en una forma mas fácil de fabricarla, se fabrico de un
- 67 -
tubo de 6” de diámetro por 7” de longitud con un agujero de 1 ½” en el fondo para que
salga el material y fluya por una canal abierto del mismo diámetro.
5. Para la extracción del buje, el molde se maquino con un tres por ciento de pendiente para
que el buje se pueda sacar mediante pequeños golpes, e n lugar de utilizar pinzas.
6. Cambio de diseño para las poleas ya que el material que se proporciono para la
elaboración de la pirámide de poleas, tenía rechupe en toda la parte central, lo que llevo a
usar tres poleas separadas.
7. Cambio de 8” a 9” en el diá metro de una de las poleas, esto debido al error en el envío de
la polea.
Gracias a la ejecución de todos los cambios antes mencionados la fabricación del prototipo de la
máquina de fundición centrífuga ha sido un éxito y se lograron realizar con los meno res costos
posibles y se tiene el mismo funcionamiento.
iv. Descripción del desembolso incurrido para fabricar el prototipo.
A continuación se detallara los costos incurridos en la fabricación del prototipo.
- 68 -
TRANSMISIÓN
ESTRUCTURA
Sección
Descripción
Dimensión
Cantidad
Precio Unitario
Total.
Platina
Electrodo 6013
2” x 1/4”
3/32
1
4
$12.75
$0.50
$12.75
$2.00
Bisagras
3” x 3”
6
$1.66
$9.96
haladera Cromada
4”
4
$0.17
$0.68
Cable Acero
1/4”
1
$0.89
$0.89
Tensor para Cable
5/16
1
$1.35
$1.35
Pasador Negro
4”
4
$0.29
$1.16
Pernos
1/4”
3
$0.25
$0.75
Tuercas
1/4”
3
$0.05
$0.15
Arandelas
1/4”
6
$0.03
$0.18
Broca
5/16”
1
$4.50
$4.50
Disco de Corte
9” x 1/8” x 7/8”
4
$3.25
$13.00
Pintura
1 galón
1
$24.78
$24.78
Brocha
Tinner
Mano Obra
1.5”
1 galón
1
1
1
$1.50
$3.50
$35.00
$1.50
$3.50
$35.00
Lámina Hierro Negro
Polea Aluminio
Polea Aluminio
pliego
7”
8”
1
1
1
$45.68
$15.55
$18.55
$45.68
$15.55
$18.55
Polea Aluminio
9”
1
$22.55
$22.55
Eje Acero 1020
1 1/4”
1
$22.98
$22.98
Eje Acero 1020
1”
1
$17.73
$17.73
Chumaceras
1 1/4”
4
$15.10
$60.40
Chumaceras
1”
2
$16.00
$32.00
Faja Trapezoidal
tipo A
1
$5.75
$5.75
Prisioneros
5/16” x 1”
9
$0.17
$1.53
Arrancador SIRI
17-22amp
1
$106.50
$106.50
Cable Vulcan TSJ
10-3.
6
$1.57
$9.42
6
$6.50
$39.00
3
2
0.6
8
$1.05
$7.65
$130.00
$0.25
$3.15
$15.30
$88.14
$2.00
MOLDE
Mano de Obra Rodos
Rodos
Cinta Antideslizante
Grafito
Pernos
3/4”
1 x 5 yda.
9 x 14.5
1/4”
Tuercas
1/4”
8
$0.05
$0.40
Arandelas
1/4”
16
$0.03
$0.48
1
$400.00
Mano de Obra
Sub total
Imprevistos
Total.
Mano de Obra Extra
TOTAL FINAL
Tabla 33
- 69 -
$400.00
$1,019.26
$50.96
$1,070.22
$75.00
$1,145.22
CONCLUSIONES
•
Se desarrollo un diseño de una máquina que sea capaz de fabricar bujes de bronce con
diámetros internos de: 2.5”, 3.0”, 3.5”.
•
El costo de una máquina nueva comprada en el extranjero es de $ 30,000; teniendo un
ahorro de $28,000; ya que al utilizar un regulador de frecuencia y un LOGO el precio
aumenta en una valor de $600 aproximadamente, pero se tiene un proceso mas efectivo.
•
El precio al que se vendiera el buje será menor que el precio de los bujes importados,
haciendo que las ventas aumenten y amortizando por ende rápidamente la máquina, el
precio es de un 15% mayor que el costo del material en bruto.
•
Tener un mercado tanto nacional como regional.
- 70 -
RECOMENDACIONES
•
El grado de fluidez del metal fundido determinara la razón de cambio de velocidad de
fundición del molde.
•
El principio de la fundición centrífuga es hacer girar el molde mientras se solidifica el
metal, utilizando así la fuerza centrífuga para adecuar el metal en el molde. Gracias a la
acción de la fuerza centrífuga se espera obtener mayores detalles sobre la superficie de la
pieza, una estructura metálica con una densidad superior a la desarrollada por una
fundición estática. La fundición debido a las condiciones de calor y de esfuerzos a la cual
estará sometida pueden ser manufacturados con resistencia a temperaturas elevadas,
resistentes a la corrosión, a la fatiga térmica, ductilidad a Baja temperatura y más.
•
La pieza fundida centrífugamente se espera que posea un
alto grado de limpieza
metalúrgica y homogeneidad microestructural.
•
La velocidad de rotación y la técnica de introducir metal fundido en el molde determinara
la calidad de fundición.
•
El prototipo posee un quemador que combustión a base a gas propano para poder
precalentar el molde; si en algún momento no se posee este tipo de quemador en ninguna
circunstancia el calor tiene que provenir de alguna combustión de aceite, esto es debido a
que algunas ocasiones cuando se esta quemando aceite combustible muchas veces puede
lanzar pequeñas gotas de aceite no quemado por lo que puede ingresar en el interior del
molde, lo cual sería muy perjudicial para el recubrimiento del diámetro interno y podría
causar algún daño permanente al molde.
- 71 -
•
Se debe de comprar un pirómetro para medir el perfil térmico del proceso de fundición.
•
Para ser mas eficientes en la parte de enfriamiento del molde es conveniente que se
pongan mecanismos de enfriamiento forzado ya sea ventiladores, aspersores de agua, en
algunos casos aletas para que exista una mayor área de convección.
•
Regulando la velocidad adecuadamente mediante la utilización de variadores de
frecuencia ya que para tener un buen resultado en la elaboración del buje es conveniente
que lo cambios de velocidad sean de una forma suave y constante.
•
Automatizando el proceso con la ayuda de un LOGO el cual facilitara el proceso ya que
los parámetros serán fijos y no podrá existir error en la toma de estos, haciendo que la
fundición sea mas eficiente y eficaz.
•
Las fajas autoadhesivas dispuestas en los rodos soportan actualmente temperatura de hasta
150 C, por lo que es recomendable adquirir una cinta con las mismas propiedades y el
adhesivo soporte temperaturas elevadas.
- 72 -
ANEXO
ANEXO “A”
Caso: Existencia de un variador de frecuencia en el prototipo.
•
•
Se regulara la velocidad de Rotación.
Velocidad de entrega se mantendrá constante.
BUJE DE DIÁMETRO INTERNO: 2.5”
FASE II
TIEMPO TOTAL DE
FUNDICIÓN
1309.74
FASE I
FASE I-II
RPM
LB
900
10.758
900 - 1309.74
21.50
SEG
20
40
FASE I
FASE I-II
FASE II
RPM
900
900 - 1191.19
1191.19
LB
14.28
9.74
0
SEG
20
22
400
420
SEGUNDOS
32.26
LIBRAS
TIEMPO TOTAL DE
FUNDICIÓN
420
SEGUNDOS
CANTIDAD A USAR
24.02
LIBRAS
TIEMPO TOTAL DE
FUNDISION
420
SEGUNDOS
CANTIDAD A USAR
14.28
LIBRAS
0
400
CANTIDAD A USAR
FASE I
FASE I-II
FASE II
RPM
900
900 - 1090.97
1097
LB
14.28
0
0
SEG
20
4
400
Tabla 34
Por factor de seguridad se recomienda que el tiempo tomado para todas las fundiciones sea igual
A continuación se muestra el perfil de velocidad en función de la s libras acumuladas de entrega.
- 73 -
Di = 2.5"
t (seg.)
RPM
LB
ENTREGADAS
Acumuladas
Diámetro
interno
5.000
900.00
2.69
4.01
10.000
900.00
5.38
3.90
15.000
900.00
8.07
3.78
20.000
25.000
900.00
950.00
10.76
13.45
3.66
3.54
30.000
1,000.00
16.14
3.41
35.000
1,050.00
18.83
3.28
40.000
1,100.00
21.52
3.14
60.000
1,300.00
32.27
2.50
120.000
1,300.00
0.00
2.50
240.000
1,300.00
0.00
2.50
420.000
1,300.00
0.00
2.50
Tabla 35
Diametro Interno vrs. tiempo
4.50
4.00
3.50
3.00
2.50
2.00
-
100.0
00
200.0 300.0 400.0
00
00
00
500.0
00
Tiempo (seg.)
Fig. 8
Como es de hacer recordar con esta velocidad estamos evitando el “Efecto lluvia”, mas sin
embargo estamos afectando otra área. Lo recomendable es que cuando alcance su velocidad de
rotación se tendrá que disminuir a 1084.74 RPM. A una tasa de 50 RPM/seg., tal como se
muestra a continuación.
- 74 -
RPM
Radio
1,309.74
1,284.74
1,259.74
1,234.74
1,209.74
1,184.74
1,159.74
1,134.74
1,109.74
1,084.74
1.250
1.250
1.250
1.250
1.250
1.250
1.250
1.250
1.250
1.250
Esfuerzo
Tangencial
debido a
Presión
Interna
Esfuerzo
Tangencial
debido al Efecto
Rotacional
30,425.13
29,274.72
28,146.48
27,040.41
25,956.51
24,894.78
23,855.22
22,837.84
21,842.62
20,869.57
26.90
26.90
26.90
26.90
26.90
26.90
26.90
26.90
26.90
26.90
Efecto
Efecto Neto
Neto
Tangencial ( psi ) Tangencial
( MPa )
30,452.02
29,301.61
28,173.37
27,067.30
25,983.40
24,921.68
23,882.12
22,864.73
21,869.51
20,896.47
Tabla 36
Di = 3.0"
t (seg.)
RPM
LB
ENTREGADAS Diámetro interno
Acumuladas
5.000
900.00
2.69
4.01
10.000
900.00
5.38
3.90
15.000
900.00
8.07
3.78
20.000
25.000
900.00
958.00
10.76
13.45
3.66
3.54
30.000
1,016.00
16.14
3.41
35.000
1,074.00
18.83
3.28
40.000
1,132.00
21.52
3.14
45.000
1,190.00
24.21
2.99
120.000
1,190.00
0.00
2.99
240.000
1,190.00
0.00
2.99
420.000
1,190.00
0.00
2.99
Tabla 37
- 75 -
209.97
202.03
194.26
186.63
179.16
171.83
164.67
157.65
150.79
144.08
Diametro Interno vrs. tiempo
4.10
3.90
3.70
3.50
3.30
3.10
2.90
2.70
2.50
-
100.000 200.000 300.000 400.000 500.000
Tiempo (seg.)
Fig. 9
Di = 3.5
t (seg.)
RPM
LB
ENTREGADAS
Acumuladas
Diámetro
interno
5.000
900.00
2.69
4.01
10.000
900.00
5.38
3.90
15.000
900.00
8.07
3.78
20.000
25.000
26.540
900.00
1,088.00
1,097.40
10.76
13.45
14.28
3.66
3.54
3.50
35.000
1,097.40
0.00
3.50
40.000
1,097.40
0.00
3.50
60.000
1,097.40
0.00
3.50
120.000
1,097.40
0.00
3.50
240.000
1,097.40
0.00
3.50
420.000
1,097.40
0.00
3.50
Tabla 38
- 76 -
Diametro Interno (Pulg.)
Diametro Interno vrs. Tiempo
4.10
4.00
3.90
3.80
3.70
3.60
3.50
3.40
-
100.0
00
200.0 300.0 400.0 500.0
00
00
00
00
Tiempo (seg.)
Fig. 10
OBSERVACIONES PARA LA REGULACIÓN DE VELOCIDAD
El control del perfil de velocidad de rotación es una variable muy importante, ya que un
incremento de la velocidad del molde no permitirá un resbalamiento y caída en forma de cascada
(Efecto lluvia), te ndera a reducir el tamaño de grano de metal, al igual que, la calidad de la
superficie interna mejora como aumentos controlados de la velocidad de rotación.
La velocidad de rotación se ha definido para cada radio de la cavidad debajo del cual la fuerza del
centrífugo no puede impedir al metal derramarse cuando se encuentra girando a través de su arco
superior subsiguiente. Con esta velocidad de rotación, el metal se presupondrá que estará en su
lugar.
Cuando el metal fundido se verterá hacia la superficie interna del molde, debe de tenerse la
precaución que todo el contenido de este no debe de entregarse inmediatamente. Se imparte la
velocidad de rotación en virtud de la fricción entre el metal líquido y el molde. Después de que la
superficie interna del molde se cubre, todo el metal subsiguiente se acelerará por causa de
fricción interior entre la superficie líquida que ya esta girando y el metal a ser recibido. Esto crea
una tendencia apreciable en el desprendimiento del metal líquido.
- 77 -
Es recomendable cuando se encuentra el proceso de fundición en la primera velocidad constante
se entregue el metal fundido a un ritmo relativamente alto, después se bajara el ritmo de vertido
cuando entre en la etapa de aceleración del metal fundido. De esta manera resulta una aceleración
suave del metal a la velocidad de giro.
Es muy deseable que en el proceso se genere la menor cantidad de turbulencia posible para evitar
formación de burbujas que pueden surgir como efecto de este fenómeno. Por ello es fundamental
que el metal tenga que acelerar suavemente a la velocidad de operación del molde.
Es de suma importancia que el chorro del metal fundido entrante al molde nunca sea
interrumpido. Una interrupción del fluido puede causar varios defectos al diámetro exterior o
hasta en el interior de la fundición.
ANEXO “B”
A continuación se presenta una deducción que permite relacionar la potencia mínima requerida
en función a las características de los materiales tanto dimensional como mecánica, a saber:
2πrnF
60η
Pη
= Fm
2π rm n60
P=
w cos(α )
6
Fr = 1.1Fw
Fw =
T = r p Fp
T =
rp P η 60
2πrm n
rp P η 60
= rp F p
2πrm n
rp Pη 60
= Fr
2π rm rp n
Eq. 37
rp Pη 60
2π rm rp n
=
1.1w cos(α )
6
P=
1.1w cos(α ) 2πrm r p n
*
6
r pη 60
P=
1.1(γ bν b + γ mν m ) cos(α ) 2π rm rp n
*
6
rpη 60
- 78 -
Eq.38
Potencia (W)
Potencia (W) Vrs. Longitud del molde
1,000.00
800.00
600.00
400.00
200.00
-
y = 156.73x + 7E-13
0
1
2
3
4
5
6
Longitud (m)
Graf. 11
La ecuación general es la siguiente, a saber:
P=
1.1(γ bν b + γ mν m ) cos(α ) 2π rm rp n
*
6
rpη 60
Eq. 39
La ecuación particular para el caso en donde se tiene el molde de grafito con las medidas acá
expuestas y el buje cuyo diámetro interno es de 2.5” es la siguiente, con una eficiencia del motor
de 84.00%, es la siguiente.
P = 1756 .73l + 7 x10 −13 Eq. 40
ANEXO “C”
A continuación se muestran los planos del prototipo, (Las medidas están en pulgadas).
- 79 -
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
BIBLIOGRAFIA
Libros.
TÍTULO
AUTOR
EDITORIAL
•
Manual del Constructor de Máquinas
H. Dubbel
Labor
•
Diseño en Ingeniería Mecánica
J. Shigley-Ch.Mischke
McGraw-
Hill.
•
Elementos de máquinas.
•
Centrífugal Casting
•
Documentos de transferencia de calor
Bernard J. Hamrock
McGraw-Hill.
Sociedad Fundación Americana de Fundidores
Ing. Oscar Doñas
Websites.
•
http://www.anchorbronze.com/centrífugalcast.htm
•
http://www.gibsoncentritech.co.uk/casttimes_3.htm
•
http://www.wexco.com/Cilindros%20Bimetalicos%20de%20WEXCO.pdf
•
http://iec.skf.com/4e.htm
•
http://www.dt.navy.mil/online/tech/updtjan98/ccmmcomp.htm
•
http://www.kingsleynorth.com/skshop/search_results2.php?catID=262
•
http://www.efunda.com/processes/metal_processing/centri_casting.cfm
•
http://www.centrífuga lcasting.com/
•
http://www.centrífuga lcasting.com/babbitt.htm
•
http://www.acipco.com/centrífugal/casting/index.cfm
•
http://www.castcraft.com/centinf.htm
•
http://www.me.gatech.edu/jonathan.colton/me4210/mfgvideos.html
•
http://www.technet.pnl.gov/dme/materials/casting.stm
•
http://www.jocmachinery.com/html_en/centrífugal_casting.htm
•
http://www.dueker.de/kundenguss/07_schleuder_d.html
•
http://www.rely.co.za/processes/pg_centrífuga l.htm
•
http://www.gfmco.com/centrífugal.htm
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Construcción de una Máquina de Fundición Centrífuga.

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