fundicion moldes de arena

1. 1
ESCUELASUPERIORPOLITÉCNICADECHIMBORAZO
FACULTADDEMECÁNICA
ESCUELADEINGENIERÍAAUTOMOTRIZ
PROCESOSDEMANUFACTURA
FUNDICIÓNENARENA
Presentado por:
Diego Buenaño 875
Cristian Aldas 796
David Villacres 1535
Presentado a:
Ing. Segundo Shagnay

2. 2
RIOBAMBA, FEBRERO3 DEL 2017
TABLA DE CONTENIDO
PAG.
INTRODUCCION……………………………………………………………3
1. RESUMEN.…………….…………………………………………………….4
2. OBJETIVOS…………………………………………………………….……5
3. MARCO TEORICO………………………….……………………..………..6
3.1 Manufactura……………………………………………………………..6
3.2 Fundición………………………………………………………………...7
3.3 Etapas del Proceso……………………………………………………14
4. CREACION DE PINNO: PRODUCTOS INNOVADORES……………18
4.1 Misión…………………………………………………………………...18
4.2 Visión……………………………………………………………………18
5. PROCEDIMIENTOS...……………………………….............................19
5.1 Equipos y Materiales……..………………………………………......19
5.2 Procedimiento……..…………………………………………………..19
6. ANALISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS...…………...…………...25
6.1. Cálculos………………………………………………………………26
6.2. Costos de producción……………………………………………29
7. PROCESO ALTERNATIVO

3. 3
8. CONCLUSIONES……………………………….…………………….......32
9. BIBLIOGRAFIA…………………………………………………………….33
10.ANEXOS……………..……………………………………………………..34

4. 4
INTRODUCCIÓN
A lo largo del tiempo, la fundición y el maquinado se han considerado algunos de
los procesos de fabricación más importantes en la manufactura de piezas
metálicas. Estos procesos se remontan cerca de 2000 años A.C. y han tenido
grandes repercusiones en la historia debido a su gran uso en la industria y
tecnología. Y es precisamente, el estudio de estos procesos de fabricación lo que
nos lleva a la realización de este trabajo, el cual es una aplicación práctica de los
conocimientos adquiridos en la asignatura Procesos de Fabricación.
El proyecto tiene como fin la elaboración de una Biela automotriz en fundición de,
para ello es necesario planificar los procesos que se deben realizar.
Finalmente este trabajo puede ser de gran utilidad para los estudiantes de
ingeniería y carreras afines, profesores y además del público en general
interesado en el tema, ya que se expone de manera sencilla y práctica aspectos
importantes, procedimientos y cálculos de la producción de un material que pude
ser de gran uso en la industria.

5. 5
1. RESUMEN
Con la realización de este proyecto se busca desarrollar los conocimientos
obtenidos a lo largo del curso a través de la fabricación de una pieza de
manufactura.
Para la obtención de la pieza final se necesitaron de diversos parámetros como:
Tipo de material a fundir, fabricación y la sobredimensión del modelo, tipo y diseño
del molde, tiempo de solidificación, planos de la pieza final.
La fabricación de la pieza se llevó a cabo en las instalaciones de la Escuela
Superior Politécnica de Chimborazo en el área de fundición con el personal
debidamente capacitado en este tipo de procesos de manufactura.

6. 6
2. OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
 Diseñar el proceso de manufactura para la fabricación de la biela
automotriz.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
 Desarrollar destrezas y habilidades en la aplicación e implementación de
las técnicas de manufactura aprendidas.
 Conocer factores importantes que influyen en la selección de parámetros
para los procesos de fundición.
 Diseñar el modelo requerido para realizar la práctica de la fundición,
teniendo en cuenta las contracciones volumétricas que experimentan los
metales cuando se solidifican. De esta manera, calcular las dimensiones
requeridas para obtener la pieza deseada.
 Diseñar el molde en arena para realizar la práctica de la fundición, teniendo
en cuenta las partes que lo componen tales como bebedero de colada (o
canal de alimentación), caja superior e inferior.
3. MARCO TEÓRICO
3.1 Manufactura
La manufactura (del latín manus, mano, y factura, hechura) describe la
transformación de materias primas en productos terminados para su venta.
También involucra procesos de elaboración de productos semi-manufacturados.
Es conocida también por el término de industria secundaria. Algunas industrias,

7. 7
como las manufacturas de semiconductores o de acero, por ejemplo, usan el
término de fabricación.
El término puede referirse a una variedad enorme de la actividad humana, de la
artesanía a la alta tecnología, pero es más comúnmente aplicado a la producción
industrial, en la cual las materias primas son transformadas en bienes terminados
a gran escala.
La fabricación se produce bajo todos los tipos de sistemas económicos. En una
economía capitalista, la fabricación se dirige por lo general hacia la fabricación en
serie de productos para la venta a consumidores con una ganancia. En una
economía colectivista, la fabricación está frecuentemente dirigida por una agencia
estatal. En las economías modernas, la fabricación discurre bajo algún grado de
regulación gubernamental.
La manufactura se ha convertido en una porción inmensa de la economía del
mundo moderno. Según algunos economistas, la fabricación es un sector que
produce riqueza en una economía, mientras que el sector servicios tiende a ser el
consumo de la riqueza. http://es.wikipedia.org/wiki/Manufactura - cite_note-0
3.2 Fundición
A continuación se presentan las características principales del proceso de
fundición, que es un proceso de solidificación, como muestra la Fig. 1, y se divide
en fundición en moldes desechables y fundición en modelos permanentes.

8. 8
Fig. 1. Clasificación de la fundición de metales.
Se denomina fundición al proceso de fabricación de piezas, comúnmente
metálicas pero también de plástico, consistente en fundir un material e introducirlo
en una cavidad, llamada molde, donde se solidifica.
El proceso tradicional es la fundición en arena, por ser ésta un material refractario
muy abundante en la naturaleza y que, mezclada con arcilla, adquiere cohesión y
moldeabilidad sin perder la permeabilidad que posibilita evacuar los gases del
molde al tiempo que se vierte el metal fundido.
Figura 2. Proceso de vertido del metal fundido

9. 9
Al realizar un proceso de fundición, se deben tener en cuenta diversos factores y
variables. Uno de los elementos de mayor importancia son los moldes. Estos,
contienen las características geométricas de la pieza fundida. Como se observa en
la Fig. 2.
(a) Molde abierto (b) Molde cerrado
Fig. 3. Tipos de moldes para el proceso de fundición. a) Molde abierto b) Molde Cerrado
Uno de los moldes más utilizados en la industria, son los moldes para fundación
en arena, cuyos elementos principales se describen a continuación:
 Marco superior: Mitad superior del molde
 Marco inferior: Mitad inferior del molde
 Caja de moldeo: Se divide en la caja de moldeo para el marco superior y en
la caja de moldeo para el marco inferior
 Núcleo: Define la forma interior de las piezas (cavidades). Se coloca dentro
de la cavidad del molde.
 Sistema de paso: Canales por donde fluye el metal derretido hacia la
cavidad del molde.
 Bebedero de vertido: Vaciadero por el que ingresa el metal para conducirse
a la cavidad principal.

10. 10
 Mazarota: Fuente de metal líquido para compensar la contracción del metal
durante la solidificación.
En el marco de este proyecto, se tratarán sólo las fundiciones con molde
desechable, por ser el utilizado para realizar la pieza propuesta.
Fig. 4. Clasificación de la fundición de metales en moldes desechables.
Las principales características de un molde de arena son:
 Resistencia: capacidad de mantener sus características geométricas
 Permeabilidad: capacidad de permitir el paso de aire por los vacíos de
arena.
 Estabilidad Térmica: capacidad de resistir el agrietamiento y deformación
cuando sea puesto en contacto con el metal fundido.
 Colapsabilidad: Capacidad de limpiar con facilidad y quitar la arena del
fundido.

11. 11
Para los procesos de fundición en arena, como en otros procesos de fundición, se
utiliza un “patrón” que consiste en un modelo en tamaño real de la pieza, con un
margen de sobredimensionamiento, para tener en cuenta las tolerancias por
contracciones y maquinado en el fundido final. En la Fig. 4 se muestran los cuatro
estilos de modelos que existen en la fundición en arena.
Fig. 5. Estilos de modelos para la fundición en arena.
Los modelos deslizantes constan de dos piezas, las cuales dividen la parte en un
plano coincidente con la línea divisoria del molde. Este tipo de moldes es utilizado
para piezas complejas con cantidades de producción no muy altas.
Los modelos de placas ajustadas constan también de dos piezas que están
ajustadas a los lados opuestos de una placa de madera o metal. La placa contiene
agujeros permitiendo que los marcos superior e inferior se alineen.
En los modelos de capucha y base, se encuentra una situación similar a los de
placas ajustadas, con la diferencia que las mitades no se ajustan a la misma
placa, sino que se fabrican independientemente.

12. 12
Otro elemento importante del proceso de fundición es el horno. Existen hornos de
combustión directo, cubilotes, crisoles, de acero eléctrico y de aleación. Los más
utilizados son:
 Horno de combustión directo: La carga de metal se calienta en un pequeño
hogar abierto con quemadores de combustible que se ubican a un lado.
Pueden alimentarse de gas natural. Los productos de la combustión se
expulsan a través de un cañón.
 Cubilotes: Son de forma cilíndrica vertical. Constan de un canal de paso
cerca de su base. Sus mayores usos son para hierros colados.
 Crisoles: El metal no hace contacto directo con la mezcla de combustible.
Pueden ser móviles, estacionarios o de volteo.
Fig. 6. Defectos en el proceso de fundición.
Como se puede observar en la Fig. 6 se relacionan los distintos defectos que se
pueden presentar en el proceso de fundición.
La cavidad de fuga es una depresión en la superficie o un vacío interno en el
fundido. Se forman por fugas en la solidificación restringiendo la cantidad de metal
derretido disponible en la última región que se solidifica.

13. 13
El micro porosidad es una red de vacíos pequeños distribuidos a lo largo del
fundido. Se forman por falta de solidificación localizada del metal derretido final en
la estructura derretida.
Otro tipo de defectos, son relacionados con los moldes de arena. Estos son
descritos en la Fig. 7.
Fig. 7. Defectos relacionados con los moldes de arena.
La sopladura es una cavidad de gas en forma de globo que se forma por la
libertad de gases del molde durante el vertido.
El lavado de arena se ocasiona por la erosión del molde de arena durante el
vertido y consiste en una irregularidad en la superficie del fundido.
Las costras son áreas rugosas en la superficie del fundido.
Las penetraciones son defectos de la superficie por alta fluidez del metal líquido.

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El desplazamiento del molde se forma por el movimiento lateral de la capucha con
respecto a la base escalonando el producto fundido en la línea de separación.
El desplazamiento del núcleo consiste en un desplazamiento vertical del núcleo y
se genera por flotación del metal fundido, al igual que el desplazamiento del
molde.
El agrietamiento del núcleo se presenta cuando la resistencia del molde es
insuficiente.
Etapas del proceso
1. Diseño del modelo
El modelo es la pieza que se pretende reproducir, pero con algunas
modificaciones derivadas de la naturaleza del proceso de fundición:
 Debe ser ligeramente más grande que la pieza final, ya que se debe tener
en cuenta la contracción de la misma una vez se haya enfriado a
temperatura ambiente. El porcentaje de reducción depende del material
empleado para la fundición.
2. Fabricación del modelo
En lo que atañe a los materiales empleados para la construcción del modelo, se
puede emplear desde madera o plásticos como el uretano hasta metales como el
aluminio o el hierro fundido.
Usualmente se fabrican dos semimodelos correspondientes a sendas partes del
molde que es necesario fabricar.
 Compactación de la arena alrededor del modelo: Para ello primeramente se
coloca cada semimodelo en una tabla, dando lugar a las llamadas tablas
modelo, que garantizan que posteriormente ambas partes del molde
encajarán perfectamente.

15. 15
Actualmente se realiza el llamado moldeo mecánico, consistente en la
compactación de la arena por medios automáticos, generalmente mediante
pistones (uno o varios) hidráulicos o neumáticos.
 Colocación del macho: Si la pieza que se quiere fabricar es hueca, será
necesario disponer machos que eviten que el metal fundido rellene dichas
oquedades. Los machos se elaboran con arenas especiales debido a que
deben ser más resistentes que el molde, ya que es necesario manipularlos
para su colocación en el molde. Una vez colocado, se juntan ambas caras
del molde y se sujetan.
 Colada: Vertido del material fundido.
 Enfriamiento y solidificación: Esta etapa es crítica de todo el proceso, ya
que un enfriamiento excesivamente rápido puede provocar tensiones
mecánicas en la pieza, e incluso la aparición de grietas, mientras que si es
demasiado lento disminuye la productividad.
 Desmolde: Rotura del molde y extracción de la pieza. En el desmoldeo
también debe retirarse la arena del macho. Toda esta arena se recicla para
la construcción de nuevos moldes.
 Acabado y limpieza de los restos de arena adheridos: Posteriormente la
pieza puede requerir mecanizado, tratamiento térmico, etc.
4. PROCEDIMIENTOS
4.1 Equipos y Materiales
1) Solid Works 2014,
2) Madera (para realizar el modelo)

16. 16
3) Arena para fundición
4) Cajas de moldeo
5) Aluminio
6) Horno de resistencia eléctrica
7) Cucharas
8) Cilindro de gas
9) Espatula
4.2 Procedimiento
A continuación se presenta la pieza que se debe fabricar con los requerimientos
dimensionales especificados por nuestro cliente:
.
Fig. 8. Biela a fundirse
En el proceso fundición se tuvieron en cuenta una serie de pasos los cuales dieron
lugar a la pieza fundida fabricada.

17. 17
Especificaciones de la pieza
 El material requerido de la pieza debe ser Aluminio, el cual es ideal para
esta producción, ya que es de fácil maquinado y tiene un bajo costo.
 El tipo de fundición que se utilizará, es fundición en molde de arena, pues
en esta se puede colocar casi cualquier metal, no limita el tamaño, forma o
peso y el costo es bajo.
Análisis de la pieza
La pieza es una biela de una moto, para la ayuda de los cálculos de área y
volumen procedemos a modelar la pieza en solid Works .
Sobredimensiones
El tipo de fundición a ser realizar requiere que se realicen cálculos para
sobredimensionar el modelo con el fin considerar las contracciones de la pieza, al
momento de la solidificación del material. Para esto en necesario tener en cuenta
el material y las dimensiones finales deseadas. Posteriormente en el informe se
presentarán estos cálculos.
Diseño del modelo
Para diseñar el modelo es necesario analizar la pieza, sus componentes y las
operaciones que implica realizarla. Esta pieza se realizará por medio de una
operación de fundición.
Fabricación del modelo
Desarrollo de la fabricación de la pieza

18. 18
 Condiciones de preparación
Las condiciones para fabricar la pieza son extremas por las altas temperaturas
que se trabajan, es necesario garantizar un ambiente seguro para todas las
personas que están en cercanas, además de unas condiciones óptimas para el
trabajo. Se deben de tener en cuenta algunos factores:
a) Creación del molde
Compactación: Se toma una caja de moldeo hecha de dos partes una superior y
otra inferior, dentro de la cual se compactará la arena. La arena utilizada tiene
aglutinantes para compactar. Se coloca el molde y la arena dentro de la caja,
compactando la arena alrededor del molde. Luego se separan las dos tapas y se
extrae el modelo en madera.
Figura 9. Molde de arena de la pieza

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Sistema de alimentación: El sistema de alimentación es realizado sobre la caja
superior luego de haber realizado los distintos cálculos que se mostraran
posteriormente en este informe.
b) Vertido
Producido ya el molde se procedió a verter el aluminio fundido dentro de este;
para obtener el aluminio en estado líquido se utilizó un horno de resistencia
eléctrica, con el cual se llevó el aluminio de un estado sólido a un estado líquido
con una temperatura promedio del horno de 850oC. Con ayuda del ingeniero
Segundo Shagnay y los auxiliares del laboratorio de fundición se realizó el vertido
de metal fundido al molde. Esta operación implica altos riesgos tanto para el
operario por las altas temperaturas como para la pieza ya que si la velocidad es
muy alta generará turbulencias dentro de las cavidades del molde y se
erosionaría, y si se realiza muy lento es posible que el Aluminio se enfrié durante
este tiempo y no logre llenar por completo el interior del molde.
Figura 10. Preparación del aluminio

20. 20
Figura 11. Preparación del aluminio
Figura 12. Vertido del aluminio
Figura 13. Vertido del aluminio en el molde

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c) Enfriamiento y solidificación
La etapa de enfriamiento y solidificación es una de las etapas más críticas del
proceso ya que un enfriamiento muy rápido incurrirá en tensiones dentro de la
pieza e incluso la aparición de grietas, y si es demasiado lento disminuirá la
productividad.
Figura 14. Solidificacion del aluminio
d) Ruptura del molde
La ruptura del molde o el desmolde implica la rotura de este y la extracción de la
pieza. Es necesario tener cuidado en este procedimiento ya que la pieza aunque
está sólida, sigue caliente lo cual es riesgoso para las personas involucradas. La
arena es removida junto con la pieza de la caja de moldeo. En un proceso de
producción esta arena puede ser utilizada en otras fundiciones.

22. 22
Figura 15. Ruptura del molde
e) Remoción del sistema de alimentación
Luego de que la pieza se ha solidificado y enfriado se procede a eliminar los
conductos de alimentación, los cuales son reutilizados en la producción de otras
piezas, ya que se pueden fundir otra vez.
6. ANALISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS
7.
6.1. Cálculos
Para obtener una pieza con los requerimientos de marea y volumen estipulados a
continuación es necesario sobredimensionar la pieza de acuerdo a un factor de
compresibilidad volumétrica k=12.5

23. 23
Figu16. Datos obtenidos en SolidWorks
Datos:
Ncoja= 25 cm 0,25m 𝑀 = 0,225 𝐾𝑔 = 225,1 𝑔𝑟
Ncosa= 25 cm 0,25m 𝜌𝐴𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑜 = 2700 𝑘𝑔/𝑚3
G= 9,8 m/s²
Características Generales
Densidad
T° Fusión 660,3℃ = 933,3°𝐾
T° Ebullición 2470℃ = 2743°𝐾
Entalpía de la Fusión 10,57 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙
Velocidad
Características Específicas
Calor específico 903 𝐽/𝑘𝑔°𝐾
Conductividad Térmica

24. 24
Coeficiente de contracción
Capacidad calórica
𝑉 = √2𝑔ℎ = [2(9,8)(0,25𝑚]1/2
= 4,9 𝑚/𝑠
T colado= 4 s
𝑆𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒 =
𝑚
𝜌 𝑇 𝑐𝑜𝑙𝑎𝑑𝑜 𝑉
=
0,225 𝐾𝑔
(2700)
𝐾𝑔
𝑚3 ∗ (4) 𝑠 ∗ (4,9) 𝑚/𝑠
= 1,021 𝑥 10−4
𝑚2
Volumen Biela= 19044,25 mm³
Área = 11164,10 mm²
Sistema de distribución:
𝑆 𝐷 = 2 𝑆𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒 = 2 (1,021𝑥10−4) 𝑚2
= (2,043𝑥10−4
)𝑚2
Sistema Bebedero:
𝑆 𝐵 = 2 𝑆𝐴 = 2 (2,043𝑥10−4) 𝑚2
= (4,085𝑥10−4
)𝑚2
Diámetro talón de caída
𝐷𝑡𝑐 = 2,5 (2,68) = 6,7 𝑚
Altura del talón de caída
𝐻𝑡𝑐 = 25 𝐵𝐸𝐵 = 2 (4,085𝑥10−4) 𝑚 = 8,17𝑥10−4
𝑚
𝐻𝐹 = 𝑄𝑇 = 𝑄1 + 𝑄2 + 𝑄3
𝐻𝐹 = 𝜌 𝑉𝑜𝑙{𝑃𝑠𝑜𝑙( 𝑇𝑓 − 𝑇0) + 𝐻𝑓 + 𝐿𝑝𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜( 𝑇𝑐 − 𝑇𝑓)}
𝐻𝑓 = 2700
𝑔𝑟
𝑐𝑚³
+ 1904,25 𝑐𝑚³ {(903
𝐽
𝐾𝑔°𝐾
(933 − 300)°𝐾) + 3,97𝑥105
𝐽
𝐾𝑔
+ 218
𝐽
𝐾𝑔°𝐾
(100 − 933)}
Tiempo Solidificación:
𝐶𝑚 = 2,5
𝑠
𝑐𝑚2
𝑇𝑠 = 2,5
𝑠
𝑐𝑚2
(
596
600
)
2
𝑇𝑠 = 48 𝑠
7. CONCLUSIONES
 Este trabajo permitió aplicar los conocimientos adquiridos sobre procesos de
fabricación, el objetivo fue la elaboración de soporte de aluminio y para ello
aplicamos un proceso de fundición y otro de maquinado. Fue necesario
diseñar el molde, el modelo, la mazarota y calcular las contracciones lineales,
la velocidad de vertido, el caudal, el tiempo de vertido, entre otros. Además,
el proyecto le permitió al grupo el desarrollo de habilidades en la aplicación e
implementación de las técnicas de manufactura, por lo que podemos concluir

25. 25
que fue una experiencia enriquecedora con la que comprobamos la teoría en
la práctica. Algunos aspectos importantes a destacar que ocurrieron durante
el proceso son:
 El aluminio posee propiedades atractivas para los fundidos, por ejemplo,
poco peso, un amplio rango de resistencia, facilidad de maquinado y es
económico, es por eso que se eligió este como material base para la pieza.
 El proceso de fundición a pesar de ser muy económico con respecto a otros
presenta ciertas desventajas, para el caso particular de este proyecto, por
tratarse de un molde de arena, ocurren limitaciones como porosidad,
errores en la exactitud dimensional y el acabado en la superficie un poco
defectuoso por lo que se hace necesario una operación adicional.
 Los defectos en la superficie del fundido como lavado de arena y costras
son producto de la erosión del molde de arena e incrustaciones de arena en
el metal, sin embargo los defectos descubiertos no son demasiado serios,
pues se corrigen en gran parte por medio de pulido.
Recomendaciones
 Tener mucho cuidado al realizar el molde de la pieza para que no exista
fallas, al igual al momento de verter la colada en los moldes ya que la
temperatura de este es muy elevada y pude ser perjudicial para nuestro
cuerpo.
9. BIBLIOGRAFÍA
 ASKELAND, Ronald R. Ciencia e Ingeniería de los Materiales, tercera
edición.
 GROOVER, Mikell. Fundamentos de Manufactura Moderna. Tercera
Edición. Mc Graw Hill.

26. 26
 SMITH, William F. Fundamentos de la Ciencia e Ingeniera de los
Materiales, segunda edición, 1996.
 Base de datos IEEE.
 KALPAKJIAN, Serope; SCHMID, Steven R. Manufactura: Ingeniería y
Tecnología. Ed. 2002. Edit. Pearson Prentice Hall.
 Diapositivas Ing. Edwin Álvarez Vizcaíno.
10. ANEXOS

27. 27