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UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA
JOSE SIMEON CAAS
Construccin de una Mquina de Fundicin Centrfuga.
TRABAJO DE GRADUACIN PREPARADO PARA LA
FACULTADAD DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA
PARA OPTAR AL GRADO DE
INGENIERO MECNICO
POR
COSME VALDEMAR DURAN RODRIGUEZ
OSCAR EDUARDO RIVAS LUNA
MAYO 2005
SAN SALVADOR, EL SALVADOR, C. A.
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RECTORJOSE 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
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AGRADECIMIENTOS
Le agradecemos al Creador por habernos concedido la oportunidad de poder conocerle undiferencial ms de las grandezas que ha hecho en la naturaleza, razn que nos inspiro a
estudiar y culminar esta carrera, motivo por el cual es una puerta en la dimensin racional y
espiritual que nos ayudar a conocerle aun ms.
Le agradecemos el apoyo espiritual, material y moral incondicional que nos han brindado
nuestra familia para cumplir uno de los sueos ms 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, das que nos ayudaron a ser cada da una persona con ms
criterio, seguridad y decisin.
Le agradecemos el apoyo brindado por nuestros compaeros a mejorar y finalizar nuestra
carrera.
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DEDICATORIA
Dedicamos este trabajo como una ofrenda de fe, disciplina, empeo y dedicacin al
Creador del Universo, a la Virgen Santsima, a Cristo y al Espritu Santo, que este paso que
hemos dado sea para dar infinitos pasos ms, para formar el camino para estar ms cerca
del Todo en Todo.
Dedicamos a nuestras familias que tan arduamente se han esforzado para hacer realidad uno
de nuestros sueos, cosa que les recompensaremos haciendo una dedicacin y entrega
diaria a la carrera para que sea un medio para ayudar y desarrollar aquello que todava no
sea ha pensado an.
Dedicamos a todo el personal de la UCA, especialmente los del departamento de Ing.
Mecnica este documento como agradecimiento a sus enseanzas y entrega acadmica
profesional de cada da.
Dedicamos a nuestros compaeros y amigos por apoyarnos en todo momento en eltranscurso de la carrera este documento, para que futuras generaciones puedan tomar este
instrumento de referencia, para aumentar la creatividad del Ing. Mecnico en nuestro
medio.
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RESUMEN EJECUTIVO
Descripcin del problema:Se requera una mquina de fundicin centrfuga que sea capaz de producir bujes de
bronce de 12 de longitud, 4 de dimetro externo ycon dimetros internos de 3.5,3 y
2.5.
Este tipo de mquinas consta bsicamente de un molde giratorio horizontal, cuya material
puede variar dependiendo del material de fundicin.
El documento muestra en detalle el desarrollo de varios puntos crticos a conocer en la
determinacin de los parmetros iniciales de la mquina y del proceso, entre estos estn:
criterios de escogitacin de material, dimensionamiento, velocidad de rotacin del molde,
velocidad de rotacin del eje de transmisin, perfil trmico de la Operacin, tasa de
Transferencia de Calor, tiempo de Fundicin, y tasa de entrega propuesta del material
fundido.
Se expone la descripcin del principio de funcionamiento del prototipo, enunciando
variables mecnicas relacionadas para el ajuste pre-operacin y accionamiento de la
mquina. As como los parmetros indispensables de funcionamiento en el momento de
operacin. Adicionalmente se presenta la manera en que se encuentran ensamblados los
elementos mecnicos.
Se realizaron los clculos del grado de flexin para poder predecir la flecha mxima a la
cual estar sometido los ejes y poder as dimensionarlos, igualmente se describe el criterioque se tomo para la escogitacin del material y el dimensionamiento de los rodos de
transmisin al molde. Caractersticas como el punto de fusin, peso especifico, grado de
deslizamiento rigidez y conductividad trmica fueron variables infaltables en la
escogitacin del material para el diseo del molde.
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A la hora de determinar el espesor mnimo de la pared del molde se tomaron en cuenta los
efectos de la presin ejercida por el metal fundido y la rotacin del molde, Se tomaron en
cuenta las consideraciones empricas a la hora de determinar la razn de entrega del metal
fundido a lo largo de la longitud del molde, as como criterios de tipo practico, como
tambin, los resultados arrojados por los modelos matemticos desarrollados para modelar
tericamente el proceso de enfriamiento. Adicionalmente se hicieron los clculos
pertinentes de cinemtica para la transmisin de movimiento y lograr as la velocidad de
rotacin mnima requerida.
La empresa CONSULMENT decidi financiar la fabricacin del prototipo por lo que se
hace una descripcin del proceso de fabricacin de los componentes, como tambin una
descripcin del ensamblaje de la mquina, as como los resultados y cambios realizados
tras las pruebas de funcionamiento en vaco 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 fundicin con un variador de
frecuencia, se detallo una ecuacin que permite conocer la longitud mxima de fundicin
realizable sobre la base de las dimensiones y propiedades fsicas del molde y de la
fundicin vrs. La potencia requerida; Se adjunta finalmente los planos del prototipo cuya
finalidad ser la posibilidad de crear nuevamente una mquina idntica a la realizada.
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INDICE
Agradecimientos... iDedicatoria.ii
Resumen ejecutivo.iii
ndice..v
Abreviaturas...vii
Simbologa.vii
Prologo...viii
Definicin del problema.ix
Objetivos x
Objetivo general..x
Objetivo Especifico x
Limites y alcances...x
Limites.x
Alcances..x
Limitantes...xi
Capitulo I: Introduccin.1i. Antecedentes de la fundicin centrfuga en El Salvador.1
ii. Relevancia del tema en nuestro medio...1
Capitulo II: Marco terico..2
i. Principio fsico de la fundicin2
ii. Variables a considerar en el proceso..3
Capitulo III: Diseo conceptual del equipo....3
i. Descripcin del Principio de Funcionamiento.3
ii. Parmetros de Funcionamiento a cumplir..6
Temperatura del molde...6
Velocidad de Rotacin del molde...6
Tiempo de Fundicin..7
Ensamblaje de componentes...7
Capitulo IV: Diseo terico9
i. Ejes de transmisin de poleas al molde...9
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ii. Rodos para soportar el molde11
iii. El molde12
iv. Razn de entrega y fluidez a lo largo del molde...19v. Razn de enfriamiento20
vi. Presin de la fundicin sobre el molde..20
vii. Esfuerzo circunferencial en el molde y
en el metal fundido a ser modelado....31
viii. Comportamiento trmico del molde.35
ix. Las poleas...45
x. La caja que rodea al molde..48
xi. El vertedero.49
Capitulo V: Fabricacin y prueba del prototipo..51.
i. Descripcin del proceso de fabricacin de los componentes...51
ii. Descripcin del ensamblaje para formar la mquina..53
iii. Descripcin y resultados de las pruebas de funcionamiento
en vaco que se ejecutaron...62
Prueba A...62
Prueba B...63
Prueba C...63
Prueba D...64
Prueba E...65
Sumario de resultados..67
Descripcin del desembolso incurrido para fabricar el prototipo...68
Conclusiones70
Recomendaciones 71Anexo..73
Anexo A...73
Anexo B...78
Anexo C...79
Bibliografa..91
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ABREVIATURAS
Grfico 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
Centgrados C Revoluciones por minuto RPM
Horas hrs. mol mol
SIMBOLOGA
te: Espesor de la pared del molde.
D2: dimetro polea mnima de transmisin.
Di: Dimetro del molde.
G: Veces de la gravedad a la cual se desea someter a la fundicin.
Di: Es el dimetro interno de la fundicin.
E: Es el espesor del molde.
Din: Es el Dimetro interno del molde requerido
m : La razn de flujo masico del metal liquido entrando al molde
Cp : Calor especifico del bronce a presin constante.
Cv : Calor especifico del bronce a volumen constante
Tl: Temperatura del bronce liquido entrando al molde.
T : Temperatura de Enfriamiento en funcin del tiempo.
h : Coeficiente de pelcula promedio
As : rea Superficial Externa del molde.
T : Temperatura del aire rodeando el lado externo del molde.
: Emisividad Hemisfrica del Grafito
: Constante de Estefan Boltzman
M : Masa Total del Buje de menor dimetro interno
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? = Densidad promedio del bronce en el proceso
D1: Es el dimetro de la polea del motor.
L: Es el permetro de la faja.P: Es la potencia. (Watts)
m: Peso especifico del molde.
b: Peso especifico del Material a ser fundido.
b: Volumen de del Material a ser fundido.
m: Peso especifico del Material del molde.
m: Volumen de del Material del molde.
: Angulo de posicionamiento del molde con respecto a las chumaceras
:mr Radio de la polea del motor.
pr Radio de la polea del eje de transmisin.
n : RPM del motor.
: Eficiencia del motor.
di: Dimetro del molde.
PROLOGO
Captulo 1. Breve introduccin de las necesidades, ambiciones que conlleva la elaboracin
del prototipo de una mquina de fundicin centrfuga, las reseas histricas de cmo ha
evolucionado este tipo de fundicin en el pas, las formas tradicionales de fabricar los bujes
de bronce.
Captulo 2. Principios bsicos para la elaboracin de fundicin centrfuga explicando los
diferentes aspectos que intervienen para que se pueda formar el buje deseado, dando una
especificacin de todas las variables que juegan un papel muy importante en la fundicin.
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Captulo 3. Descripcin del funcionamiento de las partes de la mquina de fundicin
centrfuga basados en los conceptos tericos, describiendo los diferentes problemas que se
pueden ocasionar si no se realizan los clculos adecuados, explicando los parmetros queintervienen en la fundicin y describiendo su importancia. Como se fue formando la
mquina, los pasos que se hicieron para fabricarla.
Captulo 4. Explicacin de todos los conceptos tericos que se utilizaron para el diseo de
la mquina, adems del dimensionamiento de las partes de transmisin, molde, rodamiento,
vertedero, etc. Dando una descripcin de las propiedades mecnicas de los materiales
utilizados para cada una de las partes importantes de la mquina; razn 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. Ilustracin por
medio de tablas en las cuales se observan los datos obtenidos tericamente de cada una de
las partes. Anlisis de los datos obtenidos mediante grficos, tasa de transferencia de calor
que se esta dando en el momento de enfriamiento del buje. Dimensionamiento de poleas de
transmisin para generar los diferentes dimetros interiores de los bujes.
Captulo 5. Descripcin de la fabricacin y prueba del prototipo, en el cual se describe la
forma de fabricacin de las partes de la mquina de fundicin centrfuga y los tiempos que
se llevo cada proceso de fabricacin, adems del proceso de ensamble de la mquina
tomando en cuenta todos los pasos que se siguieron para realizarlo esto se ve de una forma
grafica mediante fotografa. Explicacin de los resultados de las pruebas realizadas en
vaco de la mquina con los problemas que se dieron en cada una de las pruebas. Breve
explicacin de los gastos que se realizaron para la elaboracin.
DEFINICIN DEL PROBLEMA:
Desarrollar el diseo de una mquinacentrfuga para fabricar bujes de bronce de 12 de
longitud, 4 de dimetro externo ycon dimetros internos de 3.5,3,2.5.
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Investigar la temperatura de colada del bronce y ponerla como requisito de diseo para la
mquina.
OBJETIVOS:
OBJETIVO GENERAL.
Realizar el diseo de la mquina, fabricarla y probarla.
OBJETIVO ESPECIFICO.
Verificar que este tipo de equipo se puede fabricar en el pas con la tecnologa
existente.
Cuantificar el costo de desarrollo del equipo. A partir de cunto cuesta desarrollar y
fabricar el primer prototipo del equipo.
Probar el equipo en funcionamiento.
Hacer un anlisis de costos de los bujes.
LIMITES Y ALCANCES:
Limites.
No se tuvo acceso a las propiedades mecnicas del Grafito y del Bronce a ser utilizado, mas
sin embargo los clculos usados muestran que tipo de Bronce y Grafito se tomo en cuenta
para su desarrollo terico.
El proceso no puede llevarse a cabo antes de 4 minutos, ya que es una mquinaexperimental, 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.
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Despus de extraer la primera pieza hay que volver a recalentar el molde, lo cual supone
tiempo adicional
El prototipo no es una mquina de produccin industrial; ya que: (todo lo anterior)
Alcances.
Nuestro Alcance es desarrollar un equipo de fundicin centrfuga que permita fabricar bujes
de 12 con Dimetros internos desde 3.75 hasta 2.5.
Demostrar la manera bsica en que debe hacerse la fundicin centrfuga. (Materiales,
dimensiones, escalas, precauciones y medidas de seguridad).
Determinacin en base a las pruebas de la secuencia de pasos necesarios que deben
realizarse.
LIMITANTES
El proyecto estaba circunscrito al financiamiento. El proyecto llegara hasta donde la
empresa CONSULMET decidiera financiar. De hecho, el variador de frecuencia no se
coloc porque la empresa no lo financi.
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CAPITULO I: INTRODUCCION.
i. Antecedentes de la fundicin centrfuga en El Salvador.
La investigacin y desarrollo de la mquina de fundicin centrfuga en El Salvador ha sido nula o
no ha existido el inters sobre este tipo de fundicin, esto puede ser causado por varios motivos
entre los cuales podemos mencionar: falta de dominio sobre el tema ya que la gran mayora de
fundidores no tienen los conocimientos de ingeniera adecuados para el diseo o estudio de este
tipo de mquina, los recursos econmicos son limitados para poder adquirir el equipo adecuado,
la conformidad de las personas en seguir haciendo lo que aprendieron y no implementar las
nuevas tcnicas de fundicin.
ii. Relevancia del tema en nuestro medio.
Este tipo de fundicin es de gran relevancia ya que tiene un mercado muy grande al no existir
mquina alguna de este tipo en nuestro pas, debido a la no existencia se ve en la necesidad de
importar los bujes teniendo un costo elevado o teniendo que seguir con la utilizacin de moldes
estticos de arena, lo cual no es adecuado debido a los diferentes problemas que este tipo defundicin conlleva entre los cuales tenemos: utilizacin 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
fundicin centrfuga 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 inters de CONSULMET para la elaboracin de este prototipo fue el poder
ingresar al mercado nacional y regional en la distribucin de bujes elaborados en mquina de
fundicin centrfuga 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 fabricacin de bujes en
el tipo mquinas antes mencionada e impulsar el desarrollo de la ingeniera en el pas. A
continuacin se describe la forma de realizar el diseo y elaboracin mecnica de un prototipo de
mquina para fundicin centrfuga horizontal basado en los conocimientos adquiridos en el
transcurso de la carrera Ingeniera Mecnica y en la experiencia en fundici n por la empresa
CONSULMET.
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CAPITULO II: MARCO TEORICO.
i. Principio fsico de la fundicin.
Las exigencias de poder crear un cilindro hueco sin discontinuidades, con alta densidad, y sin
inclusiones metlicas o no metlicas en el metal fundido; Se necesita una aplicacin que genere
un entorno de filtrado, limpieza, y unin en la fundicin, por lo que debido a las necesidades
expuestas, el diseo se desarrollara a partir del concepto de centrifugacin, es decir la aceleracin
que adquieren los cuerpos por causa del efecto Fuerza centrfuga".
La fuerza centrfuga no es una fuerza propiamente como tal, sino que es producida por la inerciade 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 ecuacin que la relacione:
kmrF= Eq.1
donde la constante k es igual al cuadrado de la velocidad angular es decir,
2mruF= Eq. 2
Donde u es la velocidad tangencial de rotacin. Luego, como F= m * a, la aceleracin
centrfuga 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
r
va
2
= Eq. 3
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Cuando se desea hacer un buje se recomienda hacerlo en un centrfugo horizontal. Sin embargo,
si la pieza es relativamente corta en longitud, con respecto al dimetro interior, se puede hacer en
un centrfugo vertical. Una manera prctica, para determinar la direccin de la fundicin escuando la longitud es ms de dosveces el dimetro interno lo que ser muy conveniente hacerlo
en un centrfugo horizontal. Por tanto la fundicin se realizara de esta manera.
ii. Variables a considerar en el proceso.
Escogitacin de Material para el molde.
Dimensionamiento del molde.
Velocidad de Rotacin del Molde. Velocidad de Rotacin del eje de transmisin.
Expansin Diametral mximo.
Perfil Trmico de la Operacin
Tasa de Transferencia de Calor.
Tiempo de Fundicin.
Tasa de entrega de material fundido.
CAPITULO III: DISENO CONCEPTUAL DEL EQUIPO
i. Descripcin del Principio de Funcionamiento.
El funcionamiento de la mquina de centrifugacin para realizar una fundicin se lograra a travs
de lo siguiente:
Se dispone la faja del motor en la polea que se encuentra en el eje de transmisin en la
que por el cual ser posible generar una velocidad de rotacin que se transmitir de
este a los rodos y de estos al molde propiamente, y as poder desarrollar la G
necesarias al molde para crear una medida de un buje de determinada medida. La
transmisin de la potencia se realizara con una banda tipo v, esta posee una traccin
bastante buena entre las paredes de la polea y hace efectivo la transmisin de
movimiento con perdidas significativamente bajas.
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Se deber calentarse el bronce a ser fundido a una temperatura lo suficientemente para
su transformacin a fase liquida (1200 C). Una temperatura de fundicin alta
requiere una velocidad ms alta de rotacin ya que detona el grado de viscosidad altodel metal; La temperatura de fundicin tambin tiene influencia en los ndices de
solidificacin y por tanto afecta la cantidad de segregaci n que toma lugar. Se debe de
tener una un control adecuado en la temperatura de fundicin del bronce ya que parte
para que suceda el efecto lluvia es la rotacin inadecuada, es causado tambin 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 acelerar rpidamente a la velocidad
del molde. Por tanto el control de la temperatura de fundicin del bronce es de vitalimportancia.
Se encender el quemador que se encuentra en el extremo final del molde el cual este
ser responsable de generar una llama que haga posible llevar a un intervalo de
temperatura entre (1100 1200C) al molde cuya finalidad estar circunscrita a
disminuir el choque trmico 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 transmitir el movimiento a las pistas del molde ser por contacto, es decir,
el eje de transmisin tiene provisto rodos que hacen efectivo el rodamiento y por tanto
la transmisin de movimiento al molde. Estas pistas poseen las caractersticas
siguientes: Tiene una superficie rugosa resistente a la abrasin, tiene una aplicacin
de adhesivo resistente a alta temperatura. En total deber posee 6 rodos de apoyo, de
los cuales 2 rodos son de transmisin y 4 son seguidores.
Se espera que se estabilice para luego entregar el metal fundido en el molde en un
extremo de este, a travs de un canal el cual esta dispuesto en la compuerta de laestructura de seguridad. Es de hacer resaltar que en el momento de vertido, el metal
tiene ms movilidad y energa cintica 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
condicin de rotacin del molde constante. Con la velocidad de rotacin el metal se
recoger y se sostendr firmemente a la pared del molde sin resbalarse o generar el
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efecto lluvia. Con el metal lquido mantenindose en su lugar, un gradiente de
presin ser establecido radialmente como resultado del espesor de la pared de la
fundicin producto de la fuerza centrfuga la cual ser eficaz limpiando el metal deinclusiones no metlicas y de inclusiones metlicas ajenas al material mismo. Desde
las partculas de densidades diferentes estar sujeto a esfuerzos diferentes a una
velocidad de rotacin en particular; Es de tener en cuenta que existir 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 partculas y
las inclusiones no metlicas se encontraran separadas hacia la superficie interna, para
poder as, ser eliminado por una operacin de maquinado. Cuando el bronce en su
fase liquida recin ingresado la fuerza centrfuga promover a que este tenga un
movimiento que encause a fluir a lo largo de la longitud del molde y formar as el
buje. Cuando esto ocurre, su energa interna le ayudara a invertirla en energa cintica
y el metal tendera a fluir fcilmente 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 formacin de burbujasque pueden surgir como efecto de este fenmeno.
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 caractersticas de la fundicin. 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 slido. El mtodo de
enfriamiento que se utilizara es el aire cuya velocidad ser la producida por el molde
cuando se encuentre girando.
Al enfriarse la fundicin se remueven tanto los flanjes de ambos extremos, como la
bancada del quemador.
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Cuando se halla finalizado la fundicin se estima que se encontrara a una temperatura
de los 200 C, por lo que la extraccin deber estar circunscrita a que el operador
deber de tomar todas las medidas de seguridad pertinentes para una fundicin talcomo guantes, anteojos, delantal, careta, luego se removern las rebabas seguido de la
aplicacin de golpes a la fundicin por medio de un martillo de goma. Debido a que el
molde posee una conicidad del 3%, se facilitara por tanto su extraccin. (Los golpes
debern de estar aplicados en la seccin que tiene un diferencial de dimetro menor).
La Pieza final se obtendr despus de un maquinado que le definir las dimensiones
finales.
ii. Parmetros 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-operacin mayor o igual a 1000 C, con la finalidadsiguiente:
1. Evitar un choque trmico, que promueva daar el molde.
2. Acrecentar el Esfuerzo de fluencia del Grafito. Para ayudarle aun mas a soportar los
esfuerzos tangenciales a ser generados.
Velocidad de Rotacin del molde.
De acuerdo al dimetro a ser fundido as ser la disposicin de la faja en la polea del eje de
transmisin. Por lo que es de suma importancia medir las RPM generadas en el eje de transmisin
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 de l eje de transmisin.
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Tiempo de Fundicin.
El tiempo de fundicin es una variable crtica ya que este definir cuando el material estar en sufase slida, y cuando es el tiempo estimado para detener la mquina a una temperatura de
fundicin dada.
iii. Ensamblaje de componentes.
A continuacin se detalla el diagrama de partes del prototipo. Los parntesis muestra el orden
de ensamblaje.
Fig. 1
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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 Dimetro.(16)
15.Eje de 1 (21) con 3 rodos de 4 de Dimetro.(22)
16.Brida posterior.(24)
17.Molde. Direccin: 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)
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CAPITULO IV: DISEO TEORICO.
i. Ejes de transmisin de poleas al molde.
Para encontrar los valores de flechas en los ejes de transmisin, se utilizo el mtodo de doble
integracin, 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 : Peso propio eje, Peso rodos, Peso molde junto al bronce, Peso poleas.
Fig. 2
EJE 1
Fig. 3
EJE 1
Fig. 4
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Las ecuaciones utilizadas fueron las siguientes:
Solo Peso del eje.
s
CssWessWe
C
sWeC
CxCsxWe
xs
sWeEIy
2
32
21
1
32
2
21
3231
6)(
6**
6
*
6
)(
6
*
+=
=
++
=
Eq. 4
Solo Peso de rodos o poleas
s
CssssWrsssWrssWrsRa
C
sssWrssWrsWrC
CxCsssxWrssxWrsxWrxR
EIy a
2
3321
321
31
3
1
3321
321
31
2
21
3321
321
31
3
6))((
6))((
6)(
6*
6
)(
6
)(
6
)(
6
))((
6
))((
6
)(
6
++++++=
+
+
=
++++
+
=
Eq.5
Solo peso de molde
s
CssssaWmsssaWmssaWmsR
C
sssaWmssaWmsaWmC
CxCsssxaWmssxaWmsxaWmxR
EIy
a
a
2
3321
321
31
3
1
3321
321
31
2
21
3321
321
31
3
36))()((
36))()((
36))((
6
36
))((
36
))((
36
))((
36
))()((
36
))()((
36
))((
6
++++++=
+
+
=
++++
+
=
Eq. 6
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- 11 -
Los resultados obtenidos fueron los siguientes:
Tabla 1
ii. Rodos para soportar el molde.
Los rodos se disearon a partir de las consideraciones siguientes:
Un material suficientemente resistente a la deformacin.
Suficiente rea de contacto. Un canal que permita acoger el molde lo suficiente para
generar una rotacin 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:
Tabla 2
Sector Flecha Mxima
Eje 1.0Tramo 1a 0.0520 pulg.
Eje 1 Tramo 1 0.0037 pulg.
Tramo 2 0.0016 pulg
Tramo 3 0.0028 pulg
Parte Flecha Mxima
Material Acero 1020
Esfuerzode Fluencia
295 MPa
Resistenciaa la ruptura
395 MPa
Mdulo de
Elasticidad 207 GPa
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- 12 -
iii. El molde.
Las necesidades de crear el buje requiere que se desarrolle en una cavidad que posea bajo
coeficiente de friccin para el facilitar el flujo del material fundido, debe resistir la aplicacin de
qumicos que protegern el dimetro interior del molde, debe de tener una resistencia mnima
para lograr desalojar el calor generado internamente, debe de mantener sus dimensiones durante
el proceso de fundicin, debe de resistir alta temperatura a la cual estar sometida. En resumen
las caractersticas indispensables a tomar en cuenta en la escogitacion del metal son las
siguientes:
Excelente propiedad autolubricante.
Resistencia a agentes qumicos.
Buena conductividad trmica.
Excelente estabilidad dimensional.
Buen desempeo en altas temperaturas de trabajo.
Realizando una bsqueda sobre la gama de material en el mercado que reuniera las caractersticas
anteriores se llego a la escogitacion del Grafito ya que puede ser fcilmente trabajado en
mquinas en una variedad de formas diferentes con un acabado superficial muy bueno, buena
conductividad trmica (Tres veces que del hierro) y un calor especfico adecuado (Dos veces la
del hierro). La capacidad de enfriarse es buena . El grafito es no reactivo con la mayora de los
metales fundidos. Es extremadamente resistente al choque trmico, y su resistencia se incrementa
a medida aumenta la temperatura., La resistencia a la tensin a temperatura ambiente es alrededor
de MPapu
lb100
lg000,15
2 , pero se incrementa al doble de este valor a una temperatura igual a
Co2500 , posee un modulo de Young relativamente bajo y su Elasticidad Aumenta a medida seincrementa la temperatura. A continuacin se detallan las propiedades fsicas del Grafito, a saber:
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- 13 -
PROPIEDADES FSICAS
Estado: Slido
Estructura cristalina: Rombodrica
Color:
Negro
Densidad(Kg./m): 2260
Dureza(Mohs): 0,5
Conductividad elctrica : 5102S/m
Conductividad trmica: 19,6 W/(cmK)
Calor especfico: 710,6 J/(kgK) (g)
Punto de fusin: 3800 K
Entalpa de fusin: 105 kJ/mol
Punto de ebullicin: 5100 K
Entalpa de vaporizacin: 711 kJ/mol
Tabla 3
Para poder determinar el espesor mnimo recomendable del molde se consulto el Nomograma de
del libro centrfugal casting de la AFS. En este Nomograma se puede apreciar la dependencia
proporcionalmente directa del espesor del molde y del dimetro interior de este. Al poder apreciar
el Nomograma y poder sacar su proporcionalidad se puede deducir que la determinacin delespesor del molde es independiente al tipo de material mas sin embargo es determinante el
dimetro interno del molde, a saber:
)3(54
5.175.1 += DinE Eq. 7
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- 14 -
Espesor vrs. Diametro interno del
molde
0
2
4
6
8
10
12
1.65 1.7 1.75 1.8 1.85 1.9 1.95 2
Espesor ( Pulg.)
DiametroInterno(Pulg.)
Graf. 1
Tabla 4
Ante el resultado que nos proporciona el nomograma se realizara un anlisis muy minucioso de
los esfuerzos involucrados para ratificar los datos obtenidos en la grafica anterior. El propsito de
realizar este anlisis se encuentra circunscrito a la resistencia del molde ante la presencia de
esfuerzos elevados, como tambin los efectos sobre el metal a ser moldeado, la cual es producto
del contacto de la fundicin con el molde como la rotacin de este.
Determinacin del tipo de anlisis segn el tipo de pared.
1. Anlisis de cilindro de pared gruesa.Se consideran los tres esfuerzos axiales, radiales y
tangenciales.
Dimetro interno
requerido del molde.
Espesor mnimo
recomendado
4.125 1.781
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- 15 -
2. Anlisis de cilindro de pared delgada. Se considera que actan solo dos de ellas, el
esfuerzo tangencial t y el esfuerzo axial a, ya que el esfuerzo radial rse considera
despreciable.
El tipo de anlisis a realizar depender de la magnitud del espesor de la pared segn lo sugerido
por el Graf. 1; para ello ASME, plantea que cuando el cociente entre el espesor tde la pared y el
dimetro interior di del recipiente es mayor o igual a 0.10, se considera que el anlisis a
considerar corresponde a un cilindro depared gruesa, de lo contrario en anlisis a realizar ser de
pared delgada, a saber:
Eq 8
Por tanto al sustituir tenemos lo siguiente
4318.0125.4
78125.1==te Eq. 9
Debido a que el cociente dit entrega un resultado mayor que 0.1 el tipo de anlisis a realizar para
el molde ser como Cilindro de Pared Gruesa. En la figura 1a se observa un esquema del molde
de longitudL, dimetros interno diy externo d0y espesortde la pared. Este estar sometido a una
presin interna pi ( Presin del bronce sobre el molde ), en donde sus paredes soportarn
esfuerzos en los cuales pueden ser reducidos a un sistema de tres esfuerzos normales entre s,
segn muestra la figura (Fig.1b), donde se ha ampliado un elemento Ade la pared del molde, a
saber:
Esfuerzo tangencialt.
Esfuerzo radial r.
10,0id
te
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- 16 -
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 estar sometido.
Fig. 7
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- 17 -
La figura anterior muestra un elemento diferencial del molde que muestra los esfuerzos a la cual
estar sometido, las ecuaciones de soporte que tendremos para ratificar la resistencia del molde
ante la presin ejercida de la fundicin al molde, a saber:
( )
+
=
+
=22
0
20
2
2
2
2220
20
2
220
2 .4
.4
.
.
...
i
ii
i
ii
i
ii
rdd
dr
r
dp
ddd
ddp
dd
dp
Eq. 10
( )
+
=
+
=22
0
20
2
2
2
2220
20
2
220
2 .4
.4
.
.
...
i
ii
i
ii
i
ii
tdd
dr
r
dp
ddd
ddp
dd
dp
Eq. 11
Estas expresiones son aplicables al efecto de la presin interna de la fundicin sobre el molde
dentro de la zona de comportamiento elstico del Grafito al igual que el Bronce. Los efectos
producidos por las velocidades de rotaci n, sobre los materiales, ser determinado por la cantidad
de veces que puede generarse la aceleracin de la gravedad termino que comnmente se conoce
como G, o el nmero de veces de la gravedad que la fundicin se encontrara sometida. As, al
producir una fundicin de dimetro relativamente pequeo, se recomienda usar una RPM quegenere un rango entre 60 a 75 G, la cual estas fuerzas que se ejercen en esa fundicin ser
bastante similar que para un dimetro mayor al ser sometido al metal fundido a una velocidad
equivalente (Segn su dimetro interior). Hasta donde las dimensiones del dimetro interno de la
fundicin se encuentra considerada, las RPM de la fundicin sern as diferentes; la fuerza
centrfuga en el metal ser la misma que para el ms pequeo dimetro de las fundiciones como
para el que posee un dimetro interno mayor de una fundicin.
Durante el proceso de fundicin, el metal modelado soportara grandes esfuerzos tangenciales por
lo que para mitigarlos, as como el efecto lluvia, la velocidad de rotacin del molde debe ser
variada. A continuacin se describe las 3 fases que debe ser sometida la fundicin:
1. En el tiempo de vertido ocurre cuando el molde est girando a una velocidad tal que es
suficiente para la formacin de la las primeras capas del metal que permitirn generar la
manera de fluidez de la siguiente fase.
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- 18 -
2. En la medida que el metal llega al otro extremo al molde, la velocidad de rotacin es
incrementada.
3. La velocidad de rotacin es mantenida constante por un tiempo despus de vertido elmaterial; el tiempo de la velocidad constante vara con el tipo de molde, el metal que est
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 travs del espesor de la fundicin por la accin de
aceleracin centrfuga. Esto podra causar aleaciones compuestas de varias densidades a separar,
con partculas con menor densidad tales como escorias e impurezas no metlicas acumuladas en
el dimetro interno. El espesor de estas partculas de impureza es comnmente limitado a unos
pocos milmetros y las mismas son fcilmente removidas con el maquinado.
Es de hacer notar que la velocidad ideal de rotacin causa rpida adhesin del metal lquido en la
pared del molde con una mnima vibracin. Tales condiciones tienden a resultar en una fundicin
con propiedades mecnicas uniformes.
En el caso de fundiciones con espesores de pared muy gruesas (10 pulg. /254 mm. o ms), el
criterio planteado anteriormente debe usarse con prudencia. Si la razn normal de fundicin es de
60 G en el dimetro interior, producira para este caso una velocidad bastante excesiva de
rotacin. Esto podra producir esfuerzos tangenciales excesivos en el dimetro interno de la
fundicin con una probabilidad suficientemente alta para generar daos longitudinales en la
pieza. Es de tener en cuenta por tanto que velocidades de rotacin muy altas, y por consiguiente
las fuerzas G generadas ejercera en el molde un gran riesgo.
Las velocidades ms bajas de rotacin tienden a reducir las fallas longitudinales de la fundicin,as 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 tambin realizar pruebas para poder llegar a la velocidad optima de rotacin para la
fundicin.
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- 19 -
Existen varios factores que influyen en la velocidad de rotacin:
La Razn de entrega del metal como la fluidez a lo largo de la longitud de molde. La Razn de enfriamiento del molde a la capa de metal en contacto con la superficie del
molde.
Presin en la superficie del molde.
Esfuerzo Circunferencial en la pared a ser modelada.
iv. Razn de entrega y fluidez a lo largo del molde.
La tasa de entrega del metal fundido al molde se realizara en funcin a la velocidad de rotacin,
para controlar en el metal fundido lo siguiente:
Disminuir el efecto lluvia.
Disminuir los salpiques.
Generar un flujo laminar.
Generar una distribucin uniforme.
Lograr el escape de los gases de fundicin.
Lograr controlar los esfuerzos tangenciales.
Para lograr estos objetivos se deber de controlar:
El perfil de entrega.
Temperatura de la fundicin.
Velocidad de Rotacin.
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v. Razn de enfriamiento.
Se desarrollara un modelo de transferencia de calor que permitir adems de describir el perfil
trmico 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 diseo.
Un vertido ms lento puede compensar alguna magnitud de incremento de temperatura. Es decir,
la velocidad de rotacin mnima para la fundicin ser ms baja al usar una razn de vertido
lenta. Por ello se ha definido una tasa fija de entrega de material fundido (Independiente a la
dimensin de la fundicin), para poder determinar si la tasa de transferencia de calor es la idnea
y pueda cumplir con los requisitos de mantener el metal en el arco generado.
vi. Presin de la fundicin 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
anlisis 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 vendr definido a partir de los producidos por: La presin generada
por material fundido al molde y por la rotacin. Por lo que es de vital importancia tener el control
adecuado de la velocidad rotacional.
El libro centrfugal casting de la Asociacin Americana de Fundidores, expone un nomograma
que relaciona las G a la cual estar sometida la fundicin en funcin de las RPM y el dimetro
interno de la fundicin. Las consideraciones a tomar en cuenta son:
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- 21 -
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 estar sometido, a saber:
Dimetro interno de fundicin: 2.5.
Velocidad de rotacin del molde 1209.74 RPM.
No existe ventilacin forzada.
La ecuacin que describe el comportamiento de la velocidad de rotacin en funcin al dimetro
interno sometido a 60G es la siguiente:
)5.1905ln19.650(60
+= DiG
RPM Eq. 12
Donde
G: Veces de la gravedad a la cual se desea someter a la fundicin. (45 100 G)
Di: Es el dimetro interno de la fundicin. (1-5 Pulg.)
Por tanto las velocidades de rotacin a utilizar son las siguientes
Dimetro
InternoRPM
2.5
3
3.5
1309.74
1191.19
1090.97
Tabla 5
El uso prctico de la ecuacin anterior y pruebas de fundicin harn mejorar el criterio para
ampliar el rango de aplicacin de velocidades en trabajos a realizarse por primera vez.
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- 22 -
Ahora bien, al haber determinado las velocidades de rotacin se calculara los esfuerzos generados
debido a la inercia rotacional tanto del molde como del buje, lo cual se encuentra definido as:
++
+++
= 22
20
22
022
3
31
8
3r
r
rrrr iit
Eq. 13
++= 2
2
20
2222
8
3r
r
rrrr ioir
Eq. 14
El valor del esfuerzo tangencial mximo corresponde cuando r = ri a saber:
+
++
= 2202
max_ 3
)1(
4
3iimot rr
Eq. 15
El esfuerzo radial mximo corresponde cuando oi rrr = , a saber:
22max_ )(
8
3oiimor rr
+=
Eq. 16
Como una consideracin de diseose evaluara los siguientes casos:
CONSIDERACIONESVelocidad de
rotacin
Dimetro interno de la
fundicin instantneo
El molde se encuentratotalmente vaco.
1390.74 RPM N/A
El molde se encuentra
totalmente lleno del metal a
ser fundido
1309.74 RPM 2.5
Tabla 6
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- 23 -
Las condiciones anteriores se analizar lo siguiente:
Esfuerzo Tangencial debido a la presin interna
Esfuerzo Tangencial debido a la rotacin mxima. Esfuerzo Radial debido a la presin interna.
Esfuerzo Tangencial Neto.
Como se puede observar se analizara el efecto de las variables presin y rotacin mxima en la
cual estar sometido el sistema molde-buje con la finalidad siguiente:
Realizar una proyeccin del comportamiento mecnico del molde a la condicin msdesfavorable.
Identificar los arcos del molde y de la fundicin que estar sometida a los esfuerzos ms
crticos.
Generar una confiabilidad en los datos obtenidos en la ecuacin que relaciona las rpm
con el dimetro interno de la fundicin.
Generar una confiabilidad de la resistencia del molde y del buje a las condiciones mas
extremas de la fundicin.
A continuacin se muestra el comportamiento del molde y buje para distintos tipos de
condiciones, a saber:
CASO: Rotacin del molde sin ingresar el metal fundido.
AREA: MOLDE
Dimetro delmolde
EsfuerzoTangencial (psi)
Esfuerzo Radial(psi)
Dimetro delmolde
EsfuerzoTangencial (psi)
Esfuerzo Radial(psi)
Dimetrodel molde
EsfuerzoTangencial (psi)
EsfuerzoRadial (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
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- 24 -
RPM Radio
EsfuerzoTangencialdebido aPresinInterna
EsfuerzoTangencial
debido al EfectoRotacional
Efecto Neto( Psi )
EfectoNeto ( Mpa )
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
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38/104
- 25 -
Efecto Neto Tangencial vrs Radio del Molde
-
20.00
40.00
60.00
80.00
100.00
120.00
140.00
- 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000
Radio del Molde ( Pulgadas )
Efec
toNe
to(MPa
)
Graf. 2
CASO: MOLDE TOTALMENTE LLENO
AREA: MOLDE
Dimetro delmolde
EsfuerzoTangencial (psi)
Esfuerzo Radial(psi)
Dimetro delmolde
EsfuerzoTangencial (psi)
Esfuerzo Radial(psi)
Dimetrodel molde
EsfuerzoTangencial (psi)
EsfuerzoRadial (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
8/12/2019 Maquina Fundicion Centrifuga
39/104
- 26 -
RPM Radio
EsfuerzoTangencialdebido aPresinInterna
EsfuerzoTangencial
debido al EfectoRotacional
Efecto Neto
( Psi )
Efecto
Neto ( Mpa )
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
8/12/2019 Maquina Fundicion Centrifuga
40/104
- 27 -
Efecto Neto Tangencial vrs Radio delMolde
-
20.00
40.00
60.00
80.00
100.00
120.00
140.00
- 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000Radio del Molde ( Pulgadas )
EfectoNeto(MPa)
Graf. 3
AREA: BUJE
Dimetro del
buje
Esfuerzo
TangencialEsfuerzo Radial
Dimetro del
buje
Esfuerzo
TangencialEsfuerzo Radial
Dimetro
del buje
Esfuerzo
Tangencial
Esfuerzo
Radial2.5 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
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- 28 -
Tabla 12
Efecto Neto Tangencial del Bujevrs. Radio de Buje
100.00
120.00
140.00
160.00
180.00
200.00
220.00
1.000 1.500 2.000 2.500
Radio ( Pulgadas )
Es
fuerzo
Ne
to(MPa
)
Graf. 4
A continuacin se presentara un sumario de resultados poniendo de manifiesto los puntos crticos
mnimos y los puntos crticos mximos, a saber:
RPM Radio
EsfuerzoTangencial
debido aPresinInterna
EsfuerzoTangencial
debido al Efecto
Rotacional
Efecto NetoTangencial
( psi )
EfectoNeto
Tangencial
( MPa )
1,309.74 1.250 26.90 30,425.13 30,452.02 209.97
1,309.74 1.313 25.07 29,055.82 29,080.89 200.51
1,309.74 1.375 23.48 27,832.11 27,855.59 192.06
1,309.74 1.438 22.10 26,727.55 26,749.64 184.44
1,309.74 1.500 20.88 25,721.08 25,741.97 177.49
1,309.74 1.563 19.81 24,795.79 24,815.60 171.10
1,309.74 1.625 18.86 23,937.94 23,956.80 165.18
1,309.74 1.688 18.02 23,136.29 23,154.31 159.65
1,309.74 1.750 17.26 22,381.57 22,398.83 154.44
1,309.74 1.813 16.58 21,666.08 21,682.66 149.50
1,309.74 1.875 15.97 20,983.39 20,999.35 144.791,309.74 1.938 15.41 20,328.07 20,343.49 140.27
1,309.74 2.000 14.91 19,695.55 19,710.46 135.90
1,309.74 2.063 14.45 19,081.93 19,096.38 131.67
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Tipo de Condicin Tipo de Esfuerzo Valor mnimo Valor Mximo
Tangencial 14.98 Mpa 131.74 Mpa
Molde totalmente vaco
Radial 0 Pa 0 Pa
Tangencial 15.05 Mpa 131.89 MpaMolde Totalmente lleno
Radial 0 Pa 85,839.73 Pa
Tangencial 131.67 Mpa 209.97 MpaBuje
Totalmente
Formado
Di = 2.5
Radial 0 Pa 85,839.73 Pa
Tabla 13
Las conclusiones del cuadro de resultados es el siguiente:
El principal protagonista de generar algn tipo de falla ya sea del molde o del buje son los
esfuerzos tangenciales debido a la rotacin.
No se posee cuanto ser el Esfuerzo de fluencia del Bronce a ser ocupado mas sin
embargo segn la literatura es 152 MPa ( 92% Cu y 8 % Sn )lo cual el dimetro criticointerno es la fundicin de 2.5.Este tendera a sobrepasar esfuerzo de fluencia, a saber:
RPM Radio
EsfuerzoTangencial
debido aPresinInterna
EsfuerzoTangencial
debido al EfectoRotacional
Efecto NetoTangencial ( psi )
EfectoNeto
Tangencial( MPa )
1,309.74 1.250 26.90 30,425.13 30,452.02 209.97
1,284.74 1.250 26.90 29,274.72 29,301.61 202.03
1,259.74 1.250 26.90 28,146.48 28,173.37 194.261,234.74 1.250 26.90 27,040.41 27,067.30 186.63
1,209.74 1.250 26.90 25,956.51 25,983.40 179.16
1,184.74 1.250 26.90 24,894.78 24,921.68 171.83
1,159.74 1.250 26.90 23,855.22 23,882.12 164.67
1,134.74 1.250 26.90 22,837.84 22,864.73 157.65
1,109.74 1.250 26.90 21,842.62 21,869.51 150.79
1,084.74 1.250 26.90 20,869.57 20,896.47 144.08
Tabla 14
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- 30 -
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 rea. Lo recomendable es
que cuando alcance su velocidad de rotacin se tendra que disminuir a 1084.74 RPM. A una tasade 50 RPM/seg. Los resultados anteriores muestran los esfuerzos tangenciales que se
alcanzaran 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 jams
se desarrollaran, mientras la pieza este confinada en las paredes internas del molde. As, nuestro
inters principal ser entonces, garantizar que el molde no falle en condiciones de trabajo.
El dimetro interno de fundicin de 3.0.Tendera a sobrepasar esfuerzo de fluencia, a saber:
Tabla 15
Como se puede ver en la tabla no sobrepasamos esfuerzo de fluencia, con esta velocidad estamos
adems de evitar el Efecto lluvia, estamos asegurando que no llegara a fluencia.
El dimetro interno de fundicin de 3.5.No llegara a sobrepasar esfuerzo de fluencia, a saber:
RPM Radio
EsfuerzoTangencial
debido aPresin
Interna
EsfuerzoTangencial
debido al EfectoRotacional
Efecto NetoTangencial ( Psi )
EfectoNeto
Tangencial( Mpa )
1,090.97 1.750 17.26 15,529.09 15,546.35 107.19
Tabla 16
Como se puede ver en la tabla no sobrepasamos esfuerzo de fluencia, con esta velocidad estamos
adems de evitar el Efecto lluvia, estamos asegurando que no llegara a fluencia.
RPM Radio
EsfuerzoTangencial
debido aPresinInterna
EsfuerzoTangencial
debido al EfectoRotacional
Efecto NetoTangencial ( Psi )
EfectoNeto
Tangencial( Mpa )
1,191.19 1.500 20.88 21,275.57 21,296.45 146.84
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- 31 -
Es de hacer resaltar que no se ha realizado prueba alguna para poder demostrar si la velocidad de
rotacin mxima es la recomendable segn lo planteado por la literatura para que no exista el
efecto lluvia, mas sin embargo segn las tablas anteriores podra delimitarse en futurasfundiciones a las siguientes condiciones, para poseer una grado mas amplio de factor de
seguridad, es decir:
Tabla 17
Es muy importante controlar adecuadamente la velocidad de rotacin de lo contrario puede
ocurrir lo siguiente:
Una demarcada disminucin de la velocidad de rotacin puede causar deslizamientoy
resultar luego un perfil de superficie deficiente.
Una velocidad de rotacin demasiado alta puede generar vibracionesque pueden terminar
en una segregacin circunferencial, como ocasionar aumento de los esfuerzos
circunferenciales suficientemente alta para causar una hendidura radial o grietas circulares
en la fundicin.
El fenmeno de la vibracin tendera a aumentar a medida que se va alcanzando la velocidad de
rotacin requerida para acelerar el metal fundido, y este puede Derramarse cuando se
encuentra en el arco, a pesar de la velocidad establecida.
Dimetro interno
( Pulgadas)
Velocidad de
Rotacin Mxima
( RPM )
2.5
3.0
3.5
1084.74
1091.19
1090.97
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- 32 -
Las propiedades del grafito del prototipo no se posee sus propiedades mecnicas, 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 deformacin permanente sin la aplicacin 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 deformacin permanente.
Tericamente, debe ser posible producir el buje con un dimetro interior definido a ser fundido
en el prototipo centrfugo de fundicin horizontal al ser girado a una fuerza G sumamente baja.Sin embargo, la literatura menciona n la prctica, no funciona de esa manera. Esto es debido al
hecho que el metal fundido tiene que ser acelerado a tal velocidad antes que la fundicin tenga
oportunidad parasolidificar; al igual que el metal no resbale en s mismo durante su periodo de la
solidificacin, ya que de lo contrario podra producir una fundicin deficiente.
Ahora bien se realizara un estudio del cambio de dimetro debido a la presin interna y a la
rotacin del molde, ste tendr una variacin mnima de su dimetro y an cuando los cambios
son relativamente pequeos. En la Fig. 6 se muestra esquemticamente la seccin transversal del
molde cuyo dimetro interno esta representado por di y dimetro externo d0, expuesto a una
presin interna pi y en l, a una distancia r del centro, un elemento que soporta una tensin
tangencial unitaria t. La deformacin unitaria d que experimenta, segn la teora de la
deformacin, un cilindro de dimetro d, siendoEel mdulo de elasticidad del material, est dada
por la expresin:
Fig. 8
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- 33 -
dE
d t
= Eq. 17
Utilizando el valor de la tensin tangencial equivalente, y considerando que p0= 0, por lo que se
da el valor mximo de ty la mxima deformacin dque podra esperarse para r = di /2, la Eq.
43es:
( ) ( )
( )
+
+=
++
=
22
0
220
22
0
2
20
2
22
0
2 ....1..1
i
iii
ii
ii
i
iiii
dd
dd
E
dp
ddd
ddp
dd
dp
E
dd
Eq. 18
El valor dado por la Eq. 44 nos provee la idea de la expansin del dimetro del molde, la
siguiente ecuacin muestra el incremento a obtenerse concerniente al dimetro interno del buje en
el momento de la ltima etapa de fundicin, a saber:
+
+= 2
2
2
22
2
2
.
didi
didi
E
dipidi
Bronc e
Eq. 19
El desplazamiento resultante diametral total debido a la presin generada por el bronce es por
tanto:
+
++
+
+=
22
22
22
2
22
2 ..
dido
dido
E
dipi
didi
didi
E
dipi
moldeBronce
diametral 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 condicin mas extrema, tendremos la siguiente tabla en donde muestra
los cambios de dimetros esperados debido la presin interna,
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reaIncremento
Diametral
Molde 0.000000392
Buje 0.000005773
Molde + Buje 0.000006164
Tabla 18
tendremos la siguiente tabla en donde muestra los cambios de dimetros esperados debido los
esfuerzos tangenciales de la rotacin,
reaIncremento
Diametral
Molde 0.001384
Buje 0.004938
Molde + Buje 0.006322
Tabla 19
Es de hacer notar que las expresiones anteriores muestran la deformacin total sufrida por el buje
y por el molde debido solo a la presin interna del Bronce; ahora bien despus de haber analizado
lo anterior, contemplaremos ahora la contraccin trmica 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 deformacin trmica unitaria, a
saber:
diamolde
MoldeTermicaDia met ral
tm
.
._
.= Eq. 21
Donde moldea_
es el coeficiente de dilatacin trmica corresponde al molde (Grafito), teniendo un
valor de: 16 )(1011 C .
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- 35 -
diaBronce
BronceTermicaDia met ral
tm
._
..= Eq. 22
Donde Broncea_
es el coeficiente de dilatacin trmica corresponde al Buje (Bronce), teniendo un
valor de: 16 )(1018 C .
Por lo que la deformacin diametral trmica total es:
)(__
.. MoldeBujeTotalTermicaDia met ral aatmdi += Eq. 23
Por tanto la variacin total del dimetro interno en el molde y la fundicin es el siguiente:
reaDecremento
Diametral
Molde 0.04628Buje 0.0459
Molde + Buje 0.09218
Tabla 20
viii. Comportamiento Trmico del Molde.
Se puede demostrar que la variable trmica juega un papel importante en la variacin
dimensional del buje y del molde. Por lo que se desarrollara a continuacin un modelo
matemtico para la prediccin del comportamiento trmico y calor instantneo de transferencia
al medio, del proceso de fundicin centrfuga., para poder estimar el tiempo de fundicin.
Los criterios prcticos a tener en cuenta para la velocidad de rotacin son:
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- 36 -
La conductividad trmica del molde.
Temperatura de pre-operacin del molde.
Tasa de solidificacin 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 solidificacin del metal fundido ( Bronce ) en el molde.
A continuacin se detallaran los parmetros a usar en el desarrollo del modelo, a saber:
m : La razn de flujo masico del metal liquido entrando al molde (s
kg24.0 .Asuncin de flujo
constante ).
Cp : Calor especifico del bronce a presin constante. (Km
W2
44.368 )
Cv : Calor especifico del bronce a volumen constante. (Km
W2
44.368 )
Tl: Temperatura del bronce liquido entrando al molde.
T: Temperatura de Enfriamiento en funcin del tiempo.
h : Coeficiente de pelcula promedio ( Km
W233 . Calculada a partir de la Correlacin emprica de
Hilpert para Cilindros).
As : rea Superficial Externa del molde.
T : Temperatura del aire rodeando el lado externo del molde.
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- 37 -
: Emisividad Hemisfrica del Grafito ( 0.6 )
: Constante de Estefan Boltzman (Km
Wx
2
81067.5 )
: Masa Total del Buje de menor dimetro interno: 2.5 ( 14.66 Kg.).
. ? = Densidad promedio del bronce en el proceso (3
3927.0in
lb)
Una consideracin a tomar en cuenta es que el bronce liquido es incompresible, por lo que Cp =
Cv = C;
La razn de transferencia de calor aproximada en el tiempo vendra dada por:
4)( TTTAshq += Eq. 24
Donde T es la temperatura en funcin del tiempo.
A continuacin se desarrollara un esquema de entendimiento del fenmeno de transferencia de
calor del molde en la etapa de Vertidodel material, a saber:
Haciendo un balance de energa tenemos:
***
si stsalent EEE = Eq. 25
dt
dTCvMTTTAshTTCpm L ***)(**)(**
4*
= Eq. 26
Dado que el bronce liquido es incompresible, Cp = Cv = C;
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- 38 -
Resolviendo la ecuacin anterior:
dT
TTTAshTTCm
CMdt
L4
*
**)(**)(**
*
=
Eq. 27
=
dT
TTTAshTTCm
CMdt
L
4*
**)(**)(**
*
Eq. 28
Para integrar esto se recurri a la regla trapezoidal con ?T= - 1 KComo sigue:
Sean:
4*
**)(**)(**
*)(
TTTAshTTCm
CMTF
L =
Eq. 29
Se sustituyeron los siguientes datos:
M 14,66 Kg. TL 13,73 K A s 0,189 m2
Cp 368.44W/m2K Ta 353 K ? 0,6
*
m 0,244 Kg./s h 33 W/m2K S 5,67*10-8 W/m
2K
Tabla 21(El flujo msico se calculo de tal manera que el molde sea llenado en un minuto, tiempo
razonable, adems de flujo factible)
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- 39 -
A continuacin se muestra parte una tabla que muestra los resultados anteriormente enunciados.
TemperaturaF(T) ?t (s) .t (s)
Transferencia deCalor
instantnea
(W/m2)
? Q(J/m2)
calorliberado al
ambiente
(J/m2)
K C
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
8/12/2019 Maquina Fundicion Centrifuga
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- 40 -
La grafica siguiente resume los resultados de mayor importancia:
Temperatura vrs. Tiempo ( Etapa de Vertido )
y = 2E-08x6- 5E-06x5+ 0,0005x4- 0,0247x3+ 0,872x2- 23,26x + 1099,9
700
750
800
850
900
950
1000
1050
1100
1150
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 )
Tempera
tura
(Ce
lcius
)
Graf. 5
El modelo muestra que despus de 1 minuto (60 segundos ) que es el tiempo de vertido, la
temperatura promedio del bronce es de 731 grados centgrados.
A continuacin se desarrollara un esquema de entendimiento del fenmeno de transferencia de
calor del molde en la etapa de solidificacin del material que se dar a continuacin de la etapa
anterior.
8/12/2019 Maquina Fundicion Centrifuga
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- 41 -
Haciendo un Balance de Energa tenemos:
***
si stsalent EEE = Eq. 30
dt
dTCMTTTAsh ***)(** 4 = Eq. 31
Resolviendo:
dTTTTAsh
CMdt
4**)(**
*
+
=
Eq. 32
+
=
dTTTTAsh
CMdt
4**)(**
*
Eq. 33
El mtodo para integrar la ecuacin anterior se realizara por medio de la Regla Trapezoidal
teniendo un ? T= - 1 K
Sea:
4**)(**
*)(
TTTAsh
CMTF
+
=
Eq. 34
La transferencia de calor instantnea viene dada por la Eq. 50, lo cual al sustituir los siguientes
datos:
M 14,66 Kg. TL 13,73 K A s 0,189 m2
Cp 368.44W/m2K Ta 353 K ? 0,6
*m 0,244 Kg./s h 33 W/m
2K S 5,67*10-8 W/m
2K
Tabla 23
Se obtiene a continuacin se muestra parte una tabla que muestra los resultados anteriormente
enunciados:
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- 42 -
TemperaturaF(T) ? t (s) t (s)
Transferencia de
Calor
Instantnea(W/m2)
? Q(J/m2)
Calor Liberado
al Ambiente
(J/m2)
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
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Temperatura vrs. Tiempo( Etapa de solidificacion )
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 1000 2000 3000 4000
Tiempo ( seg )
Graf. 6
Observaciones:
En esta grafica t = 0 es cuando comienza la etapa de solidificacin, inmediatamente
despus 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 slido.
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 dimetros similares.
Considerando que el bronce ya estara slido en unos 400 C; el tiempo total requerido del
proceso ser de 4 minutos, la cual se desglosa de la siguiente manera: 1 min. ( tiempo de
vertido )+ 3 min. (tiempo de solidificacin).
A continuacin se muestra el proceso de enfriamiento de la fundicin en funcin del tiempo, a
Saber:
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TEMPERATURA vrs. TIEMPO
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
TIEMPO (seg)
T
EMPERATURA(ce
lcu
is)
SOLIDIFICACION
VERTIDO
Graf. 7
De las graficas anteriores se pueden tomar en cuenta las siguientes observaciones en el momento
de la fundicin, a saber:
El perfil de velocidades de rotacin determinaran la rapidez de solidificacin y por lo
tanto las caractersticas metalrgicas que tendr el metal fundido.
Si la solidificacin del metal ocurre rpidamente, posee falta de fluidez, por lo que se
deber incrementar la tasa de vertido y velocidad de rotacin, correspondientemente.
Es muy importante girar el molde a una velocidad de rotacin 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, ocurrir un desprendimiento entre el metal fundido de
la superficie del molde en rotacin 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 slo una fraccin de la velocidad mxima. No es hasta despus que la inercia es
superada y el metal se acelera hasta alcanzar la velocidad del molde.
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El grado en el que el deslizamiento ocurre esta determinado en funcin de la friccin en la
superficie de contacto; por lo que la friccin aumenta con la aspereza de la superficie, la
viscosidad del metal lquido, y los factores que aceleran solidificacin ( Temperatura delmolde 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 ser la velocidad exigida para sostenerlo. Debido a que existir: Un incremento de
inercia por el aumento de la masa de bronce, as como una disminucin
proporcionalmente directa de la friccin producto del grado de cantidad de bao lquidoque se posea.
Existe ciertamente un amplio rango de velocidades de rotacin permisibles entre el
mnimo para la entrega y extensin eficaz del metal lquido as como el mximo dictados
por la necesidad de evitar el efecto lluvia o la vibracin de la mquina. Es deseable
empezar vertiendo con una velocidad de rotacin baja para que las tensiones estn en un
mnimo durante las fases tempranas de solidificacin. Entonces, la velocidad puede
aumentarse gradualmente a medida que el molde se esta llenando, por lo que la velocidad
mxima se obtendr cuando se termine la entrega de material.
ix. Las poleas.
Para poder escoger el dimetro de polea que necesitaremos para generar nuestros bujes se utilizo
el concepto de transmisin de velocidades tangenciales por contacto lo cual va variando su
velocidad angular dependiendo el emisor y el receptor del movimiento, a continuacin se detalla
las velocidades tericas del sistema.
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Dimetro
Interno deFundicin
RPM
2.5
3
3.5
1309.74
1191.19
1090.97
Tabla 25
Generar un Dimetro interno de la fundicin de: 3.5"
Radio de transmisin molde-rodo: 3.375". Radio de transmisin rodo: 2". Velocidad de rotacin 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 rotacin terica del eje de transmisin: 1839.38 RPM. Velocidad de rotacin 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. Dimetro terico requerido de polea de transmisin: 8.14". Dimetro disponible en el mercado 8". Velocidad del eje de transmisin a desarrollar:
1875 RPM.
Se espera tener un aumento de velocidad de 1.94 %.
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Generar un Dimetro interno de la fundicin de: 3"
Radio de transmisin molde-rodo: 3.375". Radio de transmisin rodo: 2".
Velocidad de rotacin requerida en el molde: 1191.19 RPM. Velocidad Angular del molde: 124.74 rad/seg. Velocidad tangencial del molde: 421.00 pulg/seg.
Velocidad angular de la polea 210.50 rad/seg. Velocidad de rotacin terica del eje de transmisin: 2010 RPM. Velocidad de rotacin 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. Dimetro terico requerido de polea de transmisin: 7.46".
Dimetro disponible en el mercado 7". Velocidad a desarrollar: 2142 RPM.
Se espera tener un aumento de velocidad de 6.57 %.
Generar un Dimetro interno de la fundicin de: 2.5"
Radio de transmisin molde-rodo: 3.375". Radio de transmisin rodo: 2".
Velocidad de rotacin requerida en el molde: 1309.74 RPM . Velocidad Angular del molde: 137.16 rad/seg. Velocidad tangencial del molde: 462.9 pulg/seg.
Velocidad angular de la polea 231.45 rad/seg. Velocidad de rotacin terica del eje de transmisin: 2210.19 RPM. Velocidad de rotacin 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.
Dimetro terico requerido de polea de transmisin: 6.78". Dimetro disponible en el mercado 6".Velocidad a desarrollar: 2500 RPM. Se espera tener un aumento de velocidad de 13.11 %.
En todos los casos se tomo el dimetro menor sugerido terico como factor de seguridad debido a
las perdidas mecnicas que pueden existir en el momento de la fundicin.
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Se determino a partir de la distancia que se posea entre el eje de transmisin y el eje del motor el
permetro de la faja a ser utilizado, a saber:
+++= Cd
DDsen
DDDDDDCdL
2180
).()(
2)().2( 1211221
212
2 Eq. 35
Donde:
L: Es el permetro de la faja.
Cd: Es la distancia propuesta entre el eje de rotacin del motor y el eje de transmisin.
D1: Es el dimetro de la polea del motor.
D2: Es el dimetro de la polea mnima de transmisin.
Teniendo lo siguiente:
D1 (Impulsora) = 4
D2 (Impulsada) = 6
Cd = 25
Tendremos un permetro de la faja igual a:L = 65.75
Especificacin tcnica de los elementos.
Se ocupara una faja A65.
x. La caja que rodea al molde.
La Estructura de seguridad del molde, se diseo para los siguientes:
Proveerle al vertedero un apoyo para la sujecin.
A los rodos superiores (Ayuda a mantener el molde en su posicin previo a su rotacin)
una apoyo para la sujecin.
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Proveerle al personal involucrado en la fundicin una seguridad contra alguna fuga que
pudiera existir en el molde del metal lquido.
Proveerle al personal involucrado en la fundicin una medida de proteccin se llegara a
fallar el molde.
xi. El vertedero.
El material que se dispuso posee las caractersticas siguientes:
Material con un elevado punto de fusin.
Recipiente cilndrico que permite contener instantneamente el metal liquido, revestido de
cemento refractario para disminuir la tasa de transferencia de calor al medio y poder
aprovechar as la energa trmica que incide muy marcadamente en la fluidezdel metal
liquido.
Posee un canal semicircular que le permitir la conduccin del metal lquido del
recipiente al molde. Lo cual al igual que el recipiente deber estar revestido con cemento
refractario por lo antes expuesto.
Propiedades del Material.
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Tabla 26Dimensiones del recipiente y del canal.
Tabla 27
RECIPIENTE
Material Metlico Hierro Clase CTemperatura de Fusin 1535 C
Material de RevestimientoCemento
Refractario
Temperatura de Operacin
Mxima1200 C
CANAL
Material Metlico Hierro Clase C
Temperatura de FusinCemento
Refractario
Material de Revestimiento 1535 C
Temperatura de Operacin
Mxima1200 C
RECIPIENTE
Dimetro 6
Largo 7
Espesor 3/16
CANAL
Dimetro 1.5
Largo 5
Espesor 1/8
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Angulo de inclinacin del canal
El canal se encuentra dispuesto a un ngulo de inclinacin de 20 grados con respecto al eje derotacin del molde y 5 grados con respecto al plato horizontal para hacer efectivo lo siguiente:
Procurar que el lquido que ingrese se le facilite el seguimiento de la rotacin de la
cavidad a la cual esta siendo entregada.
Procurar depositar el metal lquido al molde evitando salpiques de este.
CAPITULO V: FABRICACIN Y PRUEBA DEL PROTOTIPO I.
i. Descripcin del proceso de fabricacin de los componentes.
1. Elaboracin del Molde de Grafito:
El material tena las siguientes medidas en bruto 9 de dimetro y 14 de longitud. Los
procesos de mquinado que se le hicieron al molde para llevarlo a las medidas diseadas fueron
los siguientes:
a) Refrentado para llevarlo de 14 a 13 , ya que de este material tenan 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 a 8 , ya que las tapaderas y los extremos del molde
tienen este dimetro para la sujecin 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 dimetro a lo largo del molde, tiempo utilizado 1 hr.
e) Abertura agujero de 1 de dimetro a lo largo de las bridas o tapaderas, tiempo 0.5 hrs.f) Cilindrado en la parte central del molde llevndolo de 8 a 7 , para tener el espesor
requerido en el molde, tiempo utilizado 5 hrs.
g) Elaboracin de tres ranuras en el molde de 1 de espesor por 1 de profundidad, las cuales
sirven como gua 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 dimetro en un extremo
de 4? , para poder sacar el buje fcilmente, tiempo utilizado 3.6 hrs.
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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 frgil, haciendo que su maquinada sea lenta pero
fcil.
2. Bancada.
Pasos para la elaboracin de la Bancada, el material utilizado fue ngulo de hierro de 2x2x ? ,
lamina de hierro negro de ? de espesor, platina de 2x .
a) Se cortaron las piezas de ngulo segn las dimensiones diseadas, 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) Instalacin y alineado de chumaceras, donde iran ejes de transmisin, tiempo 4.75 hrs.
h) Cortar platina donde se soldaran rodos guas, en la parte superior sobre molde, tiempo
0.25 hrs.
i) Pintar bancada, tiempo 0.5 hrs.
3. Sistema de Transmisin. Pasos para elaboracin y ensamble ejes y rodos en el sistema de transmisin.
a) Cilindrado de un eje con las mediadas de 4 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 dimetro en 3 rodos, para instalarlos en eje, tiempo 1 hr.
e) Abertura agujero de 1 de dimetro en 3 rodos, para instalarlos en eje, tiempo 1 hr.
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f) Abertura de agujero de y elaboracin de rosca para