Moldeo de metales, moldes y engranajes cilíndricos

Etapas del Proceso de Moldeo

El proceso de moldeo consiste en verter metal fundido en un molde con la forma deseada. Una vez que el metal se solidifica, se obtiene la pieza final. La principal ventaja de este método es que la pieza adquiere directamente su forma definitiva, requiriendo solo pequeños retoques tras el desbarbado. Es un proceso económico para fabricar piezas complejas, desde muy pequeñas hasta muy grandes, de más de 100 toneladas.

Sin embargo, existen algunas desventajas, como la porosidad, la incapacidad para absorber grandes esfuerzos, la baja precisión dimensional, un peor acabado superficial, el riesgo de seguridad para los trabajadores y las repercusiones medioambientales.

Las etapas del moldeo son:

1. Diseño y fabricación de elementos: El moldista diseña el molde y los elementos de moldeo a partir de la pieza que se quiere obtener. Se determinan las dimensiones de la cavidad principal, las partes y el tipo de molde (insertos, mazarotas, sistemas y entradas de alimentación de material fundido, temperatura del material, enfriadores, noyos, sujetadores de noyo, caja de noyo, tipo de colada). Se debe tener en cuenta la velocidad de enfriamiento del material, el rechupe debido a la contracción, el escape de gases y el tipo de grano que se formará en zonas que requieran esfuerzo o donde haya desgaste mecánico.
2. Fundición del metal: Se selecciona el tipo de horno dependiendo del punto de fusión del material y de su pureza.
3. Preparación del molde: Se prepara el molde mientras se funde el metal.
4. Vertido del metal fundido: Una vez que el molde está listo, se vierte el metal fundido en su interior, ya sea por gravedad o aplicando presión.
5. Desbaste: Al salir del molde, el resultado es un sólido de la pieza dimensionada con exceso de material. Es necesario cortar estas partes sobrantes en un proceso llamado desbaste.
6. Limpieza de la superficie: Se limpia la superficie de arena incrustada y rebabas mediante un sistema de arenado.
7. Inspección: Se inspecciona la pieza para desechar o reciclar las piezas defectuosas.
8. Tratamiento térmico: Dependiendo del uso de la pieza, esta puede ser tratada térmicamente para mejorar sus propiedades mecánicas.
9. Mecanizado: Finalmente, la pieza puede mecanizarse para obtener un efecto anticorrosión o de embellecimiento.

Clasificación del Moldeo

El moldeo se puede clasificar en función del material utilizado: materiales férreos y no férreos. La diferencia se basa en que la temperatura de fusión de los materiales férreos es mayor que la de los metales no férreos, lo que determina la forma de realizar las piezas y el tipo de maquinaria utilizada.

Los moldes se dividen en desechables o permanentes, y en abiertos o cerrados:

• Moldes abiertos: Son sencillos y económicos, pero dan piezas muy bastas. La parte superior de la pieza adquiere una forma cóncava debido a la contracción y falta de realimentación del metal fundido, y se oxida superficialmente. Se utilizan en piezas muy voluminosas o en productos semielaborados.
• Moldes cerrados: La masa líquida queda sometida a la presión hidrostática dada por el molde, por lo que las piezas salen con una estructura fina y compacta, y con mejor aspecto superficial. En estos moldes se trazan los bebederos de colada, los conductos de alimentación y los respiraderos.

Moldes Desechables

Son moldes de un solo uso, ya que se destruyen después de hacer la colada para poder extraer la pieza. El material que se utiliza normalmente es arena, aunque a veces también se utilizan moldes de yeso o material cerámico. Las piezas realizadas por este procedimiento suelen ser de todo tipo, excepto aquellas con altas exigencias dimensionales o formas y superficies incompatibles con este tipo de producción.

Tipos de Moldes Desechables

• Moldes de arena: Es un proceso adecuado para metales férreos, níquel o titanio, ya que poseen temperaturas de fusión muy altas para fabricarse con moldes permanentes o desechables de yeso. Los moldes pueden realizarse manualmente para pequeñas series o automatizarse para series mayores.
• Moldes de yeso: Están realizados con yeso y otros aditivos como arena o talco para aumentar su resistencia, reducir agrietamientos y controlar la contracción y la velocidad de fraguado. Las ventajas de este tipo de molde son el buen acabado superficial, la precisión dimensional y la posibilidad de realizar piezas de muy poco espesor. Las desventajas son que la humedad del molde debe controlarse rigurosamente para evitar defectos por exceso o falta de agua, y que la impermeabilidad del yeso dificulta la expulsión de gases, pudiendo crear imperfecciones en la pieza.
• Moldes cerámicos: Son similares a los moldes de yeso. Se utilizan para materiales férreos y para producir piezas con precisión dimensional y buen acabado superficial.

Moldeo con Arena

Tipos de Arena de Moldeo

La arena de moldeo debe tener diferentes cualidades:

• Refractariedad: Debe resistir altas temperaturas.
• Plasticidad: Debe adaptarse a la forma del modelo. Esto dependerá de la finura y calidad de los granos, la cantidad de arcilla y la humedad.
• Permeabilidad: Es la propiedad de dejar evacuar los gases de la colada a través suyo, muy importante para evitar poros internos en las piezas. Depende del tamaño y la regularidad de los granos de arena, la cantidad de arcilla y la intensidad del apisonado. La permeabilidad puede incrementarse realizando agujeros para la salida de gases o secándolos.
• Cohesión: Debe conservar siempre la forma de la cavidad y tener cierta resistencia, por lo que se utilizan aditivos aglutinantes orgánicos, resinas fenólicas o resinas furánicas.

Cajas de Moldeo

Son marcos rígidos que soportan las arenas de moldeo. Estas cajas se rellenan y compactan con la arena donde se aplicará el negativo de la pieza con el auxilio del modelo. Estos marcos deben ser sólidos, ligeros si las operaciones son manuales, inconfundibles entre sí, rugosos para que la arena no se resbale y de bajo costo. Suelen ser de acero moldeado, fundición, aluminio o madera.

Arena de Noyos

Los noyos son parte del molde que se preparan aparte en cajas llamadas cajas de noyos. Deben reunir las siguientes características: permeabilidad para facilitar la evacuación de gases, resistencia a deshacerse antes del moldeo debido a su manipulación pero capaces de permitir posteriormente el vaciado de la pieza, refractariedad y compresibilidad para permitir la contracción de la pieza al enfriarse.

Métodos de Moldeo con Moldes de Arena

Métodos de Moldeo Según las Condiciones de la Arena

• Moldeo en verde: La arena posee cierta humedad. Es el menos costoso, ya que no requiere secado. Se utiliza para piezas sencillas de escasa importancia.
• Moldeo en verde con secado de la huella: Es más lento que el verde, pero evita el temple o los defectos de las piezas. Se realiza en bastidores o fosas.
• Moldeo en arena desecada: Suele hacerse a mano (caja de moldeo) con bastidores o fosas para piezas importantes y de formas complicadas. El costo aumenta debido al secado y las piezas resultan menos precisas que en el moldeo en verde.

Métodos de Moldeo Según el Número de Piezas

• Moldeo con arena para número de piezas pequeño: Se trabaja con un método manual. La impresión de la pieza se realiza con plantillas.
• Moldeo con arena para grandes series: Hasta 1000 piezas o más, el moldeo requiere un moldeo automático con una impresión de la pieza mediante modelos de placa de acoplamiento o especiales.
• Moldeo en cáscara: Para grandes series de piezas de tamaño pequeño y medio. Consiste en fabricar una cáscara de arena aglutinada a partir de un modelo metálico y una caja de volteo, y utilizar esta como molde. El inconveniente del sistema es el costo del modelo. Su principal ventaja es que se pueden obtener piezas de gran precisión dimensional, lo que permite ahorrarse en algunos casos el mecanizado.
• Moldeo al vacío: El proceso se realiza con láminas de plástico o arena para obtener el molde de la pieza y una cámara de vacío.

Fundición con Poliestireno Expandido

El molde es de arena que se compacta en torno al modelo de poliestireno expandido. Una vez moldeado, se vierte el metal fundido por el bebedero y se vaporiza el modelo, dejando un espacio al metal que lentamente ocupará la cavidad. La ventaja es que el modelo no debe extraerse, por lo que no hay que prever la partición del molde ni despullas.

Fundición por Revestimiento

Se utiliza para piezas pequeñas y permite conseguir piezas muy complejas, con buen acabado superficial y que no necesitan mecanizado posterior. Se fabrica un modelo con cera de la pieza a obtener y se recubre con material refractario para formar una cáscara de su forma. A continuación, se derrite la cera y en la cavidad obtenida se vierte el metal fundido.

Moldes Permanentes

Son más rápidos que los desechables y permiten mayor rapidez, trabajo en células y piezas con menor precisión dimensional, mejor acabado superficial y mayor resistencia. Se utilizan para realizar hasta varios miles de piezas. Estos moldes se construyen con acero y están recubiertos de material refractario, por lo que se pueden utilizar para piezas metálicas con menor temperatura de fusión. El problema de este tipo de moldeo es que se necesitan orificios en el molde, y si no están bien hechos, puede aparecer excesiva porosidad en la pieza. Además, estos moldes deben calentarse para no agrietar la pieza.

Tipos de Moldeo Permanente

• Moldes de vaciado por gravedad o baja presión: Se utilizan dos moldes que se separan para expulsar la pieza. El metal fluido se vierte en el interior de la cavidad por gravedad o baja presión por efecto sifón. El resultado son piezas con baja porosidad, buen acabado y alta exactitud dimensional. La ventaja con respecto a otro tipo de moldeo permanente es la facilidad del llenado de los moldes. El inconveniente en el caso de baja presión es la contaminación del metal por fusión.
• Moldes de inyección: Es un moldeo con moldes permanentes en el que el metal se introduce a altas presiones en su interior. Se realiza mediante máquinas de inyección a presión. La inyección se puede realizar de dos formas:
  • Máquinas de cámara a presión caliente: La cámara de presión está en el interior de un horno de mantenimiento en el que se encuentra el metal a inyectar fundido. La inyección se suele realizar mediante pistón a presiones de 7 a 35 MPa.
  • Máquinas de cámara de presión en frío: El metal fundido a inyectar se suministra mediante una cuchara de un horno de mantenimiento. El inconveniente es que hay un tiempo de carga que ralentiza la producción y que la cámara inicialmente está fría. La gran ventaja es que se puede trabajar con cualquier metal con bajo punto de fusión. Las presiones utilizadas son entre 14 y 140 MPa. Normalmente se utiliza la cámara en frío para series medias y altas de piezas, y la cámara en caliente para series pequeñas y medias.

Fundición por Colada Centrífuga

Consiste en producir la pieza mediante la rotación de la matriz con el fin de que la fuerza centrífuga impulse al metal contra sus paredes. Es apto para piezas grandes, como tuberías de fundición, o para series medias y pequeñas de piezas muy pequeñas de paredes delgadas.

Engranajes Cilíndricos Rectos

Los engranajes cilíndricos rectos son ruedas dentadas cuyos dientes son rectos y paralelos al eje del árbol correspondiente. Se emplean para transmitir movimientos y potencia en ejes paralelos.

Definiciones

• Circunferencia primitiva: Es la base de medición de los engranajes.
• Diámetro primitivo: Diámetro de la circunferencia primitiva.
• Punto primitivo: Es el punto de tangencia de las circunferencias primitivas de dos engranajes.
• Circunferencia de addendum: Limita los extremos exteriores de los dientes.
• Addendum "a": Distancia radial entre la circunferencia primitiva y la circunferencia de addendum o exterior.
• Circunferencia de dedendum: Limita los fondos de los dientes.
• Dedendum "d": Es la distancia radial entre la circunferencia primitiva y la circunferencia de dedendum.
• Altura total: Igual al addendum más el dedendum.
• Circunferencia de altura de trabajo: La suma de los addendums de las ruedas dentadas engranadas.
• Altura de trabajo: Distancia radial entre la circunferencia exterior y la circunferencia de altura de trabajo.
• Clearance: Distancia radial entre la circunferencia de altura de trabajo y la circunferencia de dedendum.
• Espesor circular: Ancho del diente sobre la circunferencia primitiva.
• Espesor cordal: Espesor del diente medido como una longitud recta.
• Amplitud del espacio entre dientes: Es la distancia entre los dientes sobre la circunferencia primitiva.
• Juego entre dientes: Es el espacio entre dientes menos el espesor circular. El juego es necesario para prever errores e inexactitudes en la separación y la forma del diente, proveer espacio para el lubricante y prevenir la dilatación de los dientes debida al aumento de la temperatura.
• Anchura de la cara: Longitud axial de los dientes.
• Cara: Superficie del diente entre la circunferencia exterior y la circunferencia primitiva.
• Flanco: Es la superficie del diente entre la circunferencia primitiva y la circunferencia de dedendum.
• Piñón: La menor de dos ruedas engranadas. La mayor se llama engranaje o rueda.
• Ángulo de trabajo: Es el ángulo que gira un engranaje desde que entra en contacto hasta que termina su contacto.
• Ángulo de aproximación: Es el ángulo que gira un engranaje desde que entra en contacto con un diente del otro hasta que ambos quedan en contacto en el punto primitivo.
• Ángulo de alejamiento: Caso contrario al anterior. El diente de uno en contacto con el diente de otro desde el punto primitivo hasta que salen de contacto.

Relación de Velocidad

i = (w1/w2) = (D2/D1) = (Z2/Z1)

El Paso

El paso es una medida de espaciamiento en el engranaje.

• Paso circunferencial Pc: Es la distancia sobre la circunferencia primitiva de un punto de un diente hasta el punto correspondiente del diente contiguo. Pc = (π.D/Z)
• Paso diametral o diametral pitch Pd: Es la relación que representa el número de dientes por pulgada de diámetro primitivo. Pd = (Z/D)
• Módulo m: Es la relación entre el diámetro primitivo expresado en milímetros y el número de dientes. m = D/Z. Una fórmula sencilla para calcular el módulo siendo De el diámetro exterior del engranaje es m = (De/Z-2)

Fórmulas para el Cálculo de Engranajes

Donde:

• P: Paso
• M: Módulo
• Dp: Diámetro primitivo
• De: Diámetro exterior
• Di: Diámetro interior
• c: Espacio entre dientes
• e: Espesor del diente
• h: Altura total del diente
• L: Altura de la cabeza del diente = Módulo
• l: Altura del pie del diente
• R: Radio del pie de diente
• A: Distancia entre ejes o centros

Fórmulas:

• M = P/π = Dp/N = De/(N+2)
• P = M.π = (Dp/N).π
• Dp = M.N
• De = M.(N+2)
• Di = Dp - (2M.1,167)
• c = (P/2) - M.1,5708
• e = P/2 = M.1,5708
• h = M.2,167
• A = (Dp + dp)/2 = ((N + n)/2).M
• l = M.1,167
• R = 0,3.M (máximo) = c/6 (mínimo)

Ley del Engrane

Para un par de dientes obligados a transmitir una relación de velocidad i constante, las curvas de los dientes deben ser tales que la normal común a los perfiles en el punto de contacto debe pasar siempre por el punto primitivo.