UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON FACULTSAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGIA
FABRICACION DE UN PISTON POR FORJA DOCENTE: Ing. Montaño Anaya Francisco GRUPO: 1.6 ESTUDIANTES: APAZA VALDEZ AMARU FREDDY CAMATA MENDOZA VICTORIA ELIDA COLQUE CHOQUE MAURICIO JOSE CONDORI FORONDA CARLOS ALBERTO GARCIA MURIEL DIEGO HUGO MALDONADO NOGALES MELISA RAMOS ANTONIO EFRAIN
Cochabamba – Bolivia
CONTENIDO 1RA PARTE TRABAJO PREVIO ............................................................................................... 4 Introducción ................................................................................................................................ 4 Datos del pistón ...................................................................................................................... 4 Función ..................................................... ...................................................... ............................. 5 Condiciones de trabajo .................................................. ..................................................... ... 5 Marco teórico ................................................................................................................................. 5 Proceso de fabricación por fundicion ..................................................................................... 5 selecion de Aleación para fundicion .................................................................................... 5 Bibliografías de moldeos (handbook) ....................................................................................... 7 Fundición por inyección y coquilla .......................................................................................... 7 MOLDE POR INYECCION ................................................................................................... 7 MOLDE POR COQUILLA .................................................................................................... 8 Conclusión ..................................................................................................................................... 9 2DA PARTE REINGENIERÍA DE UN PISTÓN ..................................................... ................. 10 Objetivos ................................................................................................................................... 10 problema del estudio ................................................. .................................................... .......... 10 Hipótesis ................................................................................................................................... 10 Justificación .............................................................................................................................. 10 ........................................Error! Error! Bookmark not defined. 3RA PARTE PROCESOS DE FORJA ........................................ ..............................................Error! Error! Bookmark not defined. TIPOS DE FORJA (ir a anexo 1) .............................................. .......................Error! Bookmark not defined. OPERACIONES DE FORJADO (ir a anexo 2) .......................Error! ..............Error! Bookmark not defined. TIPOS DE MAQUINA PARA FORJA (ir a anexo 3) ..............Error! Error! Bookmark not defined. Por impacto ...............................................................................Error! Error! Bookmark not defined. Por presión ................................................................................Error!
Rediseño geométrico .............................................................................................................. 16 Rediseño de las cavidades interiores .................................................. .................................... 18
Selecion de Material para forja ................................................. ............................................. 20 ALEACIONES DE ALUMINIO PARA LA FABRICACION FABRICACION DE PISTONES POR FORJA de precision ........................................................ .................................................... . 20 PROVEEDORES DEL ALUMIIO 2024 1 ............................................................................... 22
CONTENIDO 1RA PARTE TRABAJO PREVIO ............................................................................................... 4 Introducción ................................................................................................................................ 4 Datos del pistón ...................................................................................................................... 4 Función ..................................................... ...................................................... ............................. 5 Condiciones de trabajo .................................................. ..................................................... ... 5 Marco teórico ................................................................................................................................. 5 Proceso de fabricación por fundicion ..................................................................................... 5 selecion de Aleación para fundicion .................................................................................... 5 Bibliografías de moldeos (handbook) ....................................................................................... 7 Fundición por inyección y coquilla .......................................................................................... 7 MOLDE POR INYECCION ................................................................................................... 7 MOLDE POR COQUILLA .................................................................................................... 8 Conclusión ..................................................................................................................................... 9 2DA PARTE REINGENIERÍA DE UN PISTÓN ..................................................... ................. 10 Objetivos ................................................................................................................................... 10 problema del estudio ................................................. .................................................... .......... 10 Hipótesis ................................................................................................................................... 10 Justificación .............................................................................................................................. 10 ........................................Error! Error! Bookmark not defined. 3RA PARTE PROCESOS DE FORJA ........................................ ..............................................Error! Error! Bookmark not defined. TIPOS DE FORJA (ir a anexo 1) .............................................. .......................Error! Bookmark not defined. OPERACIONES DE FORJADO (ir a anexo 2) .......................Error! ..............Error! Bookmark not defined. TIPOS DE MAQUINA PARA FORJA (ir a anexo 3) ..............Error! Error! Bookmark not defined. Por impacto ...............................................................................Error! Error! Bookmark not defined. Por presión ................................................................................Error!
Rediseño geométrico .............................................................................................................. 16 Rediseño de las cavidades interiores .................................................. .................................... 18
Selecion de Material para forja ................................................. ............................................. 20 ALEACIONES DE ALUMINIO PARA LA FABRICACION FABRICACION DE PISTONES POR FORJA de precision ........................................................ .................................................... . 20 PROVEEDORES DEL ALUMIIO 2024 1 ............................................................................... 22
cALCULOS DE DIMENCIONES DEL TOCHO ................................................. ................. 23 Diseño de las herramientas del foRjado ................................................... ........................... 25 SELECCIÓN DEL MATERIAL DE LA HERRAMIENTA ................................................ 25 PROVEEDOR AISI H 13 1,2344 (ir a anexo 5) .......................................................................... 26
Dado punzón (Matriz superior) .......................................................................................... 26 Dado inferior (Matriz inferior) ................................................. ............................................. 30 PROCESO DE FABRICACIÓN ................................................ ............................................. 31 Evaluación dela fabricación ................................................................................................... 32 3ta parte SIMULACION DEL PROCESO DE FORJADO DE UN PISTON EN DEFORM 3D .................................................................................................................................................. 33 pistonforjado ................................................................................................................................. 42 ANEXOS .......................................................................................................................................... 44
Marco teórico forjado .............................................................................................................. 44 Error! Bookmark not defined. anexo1 .......................................................................................Error! Error! Bookmark not defined. anexo2 .......................................................................................Error! Error! Bookmark not defined. anexo 3..................................................... .....................................Error! Error! Bookmark not defined. anexo 5..................................................... .....................................Error!
Herramienta de trabajo caliente Acero DIN 1.2344 / AISI H13 / JIS SKD61 ............. 44 ANEXO N6 ................................................................................................................................... 46
1RA PARTE TRABAJO PREVIO PISTÓN POR FUNDICIÓ FUNDICIÓN N INTRODUCCIÓN DATOS DEL PISTÓN GEOMETRÍA IR A ANEXO ANEXO 6
Partes del pistón El pistón es una pieza metálica compuesto por tres partes que son: la cabeza, el cuerpo y la falda El pistón cuenta con las partes del pistón son: 1 4 6 2 5 3
1. 2. 3. 4. 5. 6.
Cabeza del pistón Orificio del bulón Falda del pistón Anillos de compresión Seguro del perno Anillo de retención de aceite
Dimensión del pistón - Altura: 90mm - Diámetro: 68mm
FUNCIÓN El pistón forma parte de la cámara de combustión de un motor a combustión interna, su función principal es la de constituir una pared móvil de la cámara de combustión, transmitiendo a la energía de los gases de la combustión al cigüeñal mediante un movimiento alternativo dentro del cilindro. CONDICIONES DE TRABAJO La parte superior o cabeza es la parte más reforzada del mismo ya que se encarga de recibir el empuje de la expansión de los gases dentro del cilindro durante el desarrollo del ciclo El pistón debe ser ligero para no transmitir excesivas inercias que aumenten las vibraciones del motor Los anillos de compresión efectúan un movimiento alternativo, obligando al fluido que ocupa el cilindro a modificar su presión y volumen o transformando en movimiento el cambio de presión y volumen del fluido. MARCO TEÓRICO PROCESO DE FABRICACIÓN POR FUNDICION Se fabrican vertiendo aluminio fundido en un molde bajo gravedad normal, como el material se enfría se forma el pistón. Después se tornean para hacer las diferentes hendiduras. SELECION DE ALEACIÓN PARA FUNDICION Para elegir la aleación adecuada para el caso de un pistón fabricado por fundición nos basamos en los criterios antes mencionados y estos los buscamos en que concuerden con las propiedades tecnológicas y las propiedades mecánicas del pistón. La aleación de aluminio la identificamos en base a estos criterios antes mencionados. CRITERIOS DE SELECION DEL MATERIAL CRITERIO #1 Buscamos que sea fácil de fundir Si vemos la geometría del pistón las paredes son delgadas, su geometría es muy compleja por lo que no podríamos fabricar por molde de arena, ya que este proceso es el adecuado para geometrías muy complejas y no garantiza un buen acabado superficial. Entonces para lograr un proceso más s encillo puede s er fabricado por molde por inyección o moldeo por coquilla, ya que estos dos procesos nos proporcionan buena
precisión dimensional. Lo más conveniente de elegir cualquiera de estos dos procesos es que podemos obtener paredes delgadas con una buena resistencia en peso Tomando en cuenta estos criterios se seleccionará la aleccionara para dos procesos de moldeo -
Moldeo por inyección Moldeo por coquilla
CRITERIO #2 El
porcentaje
de
alargamiento, de un pistón debe mantener extrema estabilidad dimensional , por lo tanto la aleación cuando sufra esfuerzo de compresión no debe deformarse. El porcentaje de alargamiento de la aleación de aluminio para el pistón fundido no debe pasar el 2% de longitud inicial CRITERIO #3
La resis tencia, los pistones deben tener una resistencia mayor a 200 MPa, debido a que el pistón se somete altas temperaturas y presiones. CRITERIO #4
E l coeficiente de dilatación debe ser bajo , por las altas temperaturas a las que estará sometido, dicha dilatación no se produce por igual en todas las zonas, es por esto que es necesario emplear un sistema de control, de forma que se evite el riesgo de gripado sin que el consumo de aceite sea excesivo. CRITERIO #5
La resistencia a la corrosión es otro parámetro a considerar debido a que las aleaciones de aluminio con cobre son muy susceptibles de sufrir picaduras por corrosión en la superficie y en consecuencia presentan una elevada densidad de defectos superficiales propicios para el inicio de las grietas de fatiga, tomaremos como límite de porcentaje 4.5% de cobre CRITERIO #6 La maquinabilidad del material, un pistón una vez fu ndido carece de detalles que solo se puede lograr con un mecanizado estas partes son la necesarias para lograr un buen acabado. Los materiales duros son generalmente más difíciles de mecanizar pues requieren una fuerza mayor para cortarlos. Teniendo en cuenta lo mencionado anteriormente, diversas opciones de aleaciones e n el mercado que son adecuadas para este proceso, las cuales se presentan en la siguiente tabla donde compararemos las propiedades de cada aleación.
Aleación
% de alargamiento
Resistencia a la tracción (Mpa)
Resistencia a la corrosión (%de cobre)
Temperatura de fusión
Dureza (HB)
222 242 332 384 390 413
1,0 1,0 1,0 2,5 1,0 2,5
240 275 193 330 310 270
9,2-10,7 3,5-4,5 2,0-4,0 3,0-4,5 4,0-5,0 0-1,0
520-625 530-635 520-580 480-580 510-650 540-595
60 70-110 110 75-80 75-120 80
Moldeo por coquilla Moldeo por inyección
Tomando en cuenta los criterios indicados anteriormente se tomará como la propiedad más importante el porcentaje de elongación, considerando la limitación indicada en el criterio de selección se descarta como opción la aleación 384 y la 413 debido a su elevado porcentaje de elongación. Como siguiente eliminación de aleación 222, ya que cuenta con un elevado porcentaje de cobre siendo este susceptible a la corrosión. La aleación de aluminio 332 y la 390 son eliminadas debido a que son aleación que cuentan con una dureza elevada. La aleación 242 es la seleccionada porque cumple con todos los criterios indicados.
BIBLIOGRAFÍAS DE MOLDEOS (HANDBOOK) FUNDICIÓN POR INYECCIÓN Y COQUILLA MOLDE POR INYECCION La fundición inyectada es un proceso de fabricación en el que se vierte o presiona metal fundido en moldes de acero. Los moldes, también llamados herramientas o troque les, se crean utilizando acero y están especialmente diseñados p ara cada proyecto. Esto permite que cada componente sea creado con precisión y repetitividad. El aluminio, el zinc y el magnesio son las aleaciones de fundición inyectada más utilizadas
BENEFICIOS -
Espesor variable de la pared Tolerancias más estrictas Tiempos de ciclo de producción rápidos Reducción de material de desecho Buena resistencia a la corrosión Alta resistencia y dureza Alta conductividad térmica Alta conductividad eléctrica Buenas características de acabado
-
-
Las piezas de Inyección de aluminio salen libre de poros ya que se inyecta a presión y la misma presión hace que los gases se liberen, así como también la colada absorbe el rechupe que pudiera tener la pieza final. Otra ventaja es que se pueden obtener producciones hasta de 2500 golpes por día, entonces el costo de la pieza se reduce considerablemente, y si el molde lo permite se pueden hacer varias impresiones duplicando o triplicando la producción. Excelente precisión dimensional, por lo general 0.1 mm para los primeros 2.5 cm y 0.02 mm por cada centímetro adicional. Superficies de fundición lisas de 0.04 a 0.10 rms. Reduce o elimina las operaciones de maquinados secundarias. El molde puede ser fabricado para objetos complicados con geometría compleja
Tenemos como conclusión que el método de inyección es muy adecuado para diseñar el pistón ya que como vemos en los beneficios vistos anteriormente cumple con todas las necesidades q pueda requerir el funcionamiento de nuestro pistón a analizar ya que nuestro pistón tiene que aguantar alta conductividad térmica, y gracias a las aleaciones q pudimos elegir tendrá una excelente resistencia y dureza MOLDE POR COQUILLA La fundición en molde metálico permanente, también llamado coquilla, es un método de fundición de piezas de aluminio por gravedad. En este método se vierte la colada de metal fundido en un molde metálico permanente, normalmente fabricado en hierro fundido, el cual tiene la forma de la pieza desead BENEFICIOS -
Mayores tasas de producción con respecto a la fundición en molde de arena. Buen acabado superficial de la pieza. Mayor control dimensional de las piezas. La rápida solidificación del material, debido al control de temperatura del molde, genera una estructura de grano más fino, lo cual mejora las propiedades mecánicas de la pieza. Las aleaciones requeridas se preparan partiendo de materia prima de excelente calidad y ajustándose acorde a las necesidades de cada producto.
Aluminio por Gravedad -
Excelente acabado superficial Ideal para series medias de piezas de seguridad: automoción, aeronáutica, motores, etc. Fabricación piezas Complejas Piezas de tamaño medio con un rango de peso entre 100 gr y 40 kg.
A la hora de decidir la producción de nuestras piezas podemos tomar como una alternativa sería la fundición a coquilla; si la empresa valora series cortas con un coste de lanzamiento de producto inferior, cuando la geometría de la pieza lo condicione,
cuando se requieran piezas que precisen soportar elevados esfuerzos, cuando se precisen piezas con un tratamiento térmico posterior y por supuesto inoxidables. La gran cantidad de aleaciones existentes, sobre todo en aluminio, hace que no se pueda generalizar en exceso y que siempre se deba de tener en cuenta la utilidad de la pieza a fundir antes de realizar el molde, adaptando el sistema de coladas a la aleación elegida. CONCLUSIÓN La aleación 242 es la indicada debido a que cumplió con los criterios de selección indicados. Las propiedades mecánicas de esta aleación se muestran en la siguiente tabla. Densidad (× 1000 kg / m 3 )
2.823
Temperatura de fusión
530-635
Módulo elástico (GPa)
71
Resistencia a la tracción (Mpa)
275
Fuerza de rendimiento (Mpa)
138
(%) de alargamiento
1%
Composición química Si
Fe
Cu
Mn
Mg
Cr
Ni
Zn
Ti
0.7
1.0
3.5-4.5
0.35
1.2-1.8
0.25
1.7-2.3
0.35
0.25
2DA PARTE REINGENIERÍA DE UN PISTÓN OBJETIVOS El objetivo del siguiente trabajo es realizar el rediseño de un pistón por el proceso de forja en base al diseño del pistón fundido. PROBLEMA DEL ESTUDIO Rediseñar un piston forjado, adecuando la geometria interna de un piston fundido, considerando sus caracteristicas del proceso, para el cual se debera determinar una aleacion de aluminio que pueda suplantar al aluminio de un piston fundido el cual tenga las mismas o mejores propiedades. HIPÓTESIS
¿Cómo realizar la reingeniería de un pistón forjado que cumpla las mismas funciones que el pistón fundido? Para empezar con la reingeniería debemos conocer el proceso de forjado y en base a este buscar alternativas para rediseñar el mismo, también es necesario conocer los parámetros del proceso de forja para seguidamente escoger una aleación en base a los criterios descritos anteriormente en el proceso de fundición. Seguidamente se escogerá las herramientas para el proceso de forja seleccionado, de igual forma se seleccionara el material de las mismas. JUSTIFICACIÓN TIPOS DE FORJADO
FORJA
Por las condiciones del proceso Por las características de las herramientas
Frío Caliente Matriz abierta Matriz cerrada Forja sin rebaba o de precisión
Fuente: manufactura-ingeniería-y-tecnología-Quinta- edición
OPERACIONES DE FORJADO
Acuñado La pieza en bruto o trozo de metal se acuña en la cavidad de una matriz completamente cerrada. Para producir detalles finos, las presiones requeridas pueden ser tan elevadas como cinco o seis veces la resistencia del material El marcado de partes con letras y números también se puede realizar con rapidez por medio de este proceso. El acuñado se utiliza asimismo con forjas y otros productos para mejorar el acabado superficial y proporcionar la precisión dimensional deseada con pocos o ningún cambio en el tamaño de la parte. Conocido como dimensionado, este proceso requiere presiones elevadas. Forjado isotérmico o por matriz caliente Las matrices en este proceso se calientan a la misma temperatura que la de la pieza de trabajo caliente. Como permanece caliente, durante el forjado se mantienen la resistencia baja y la alta ductilidad de la pieza de trabajo. Además, la carga de forjado es baja y se mejora el flujo del material dentro de la cavidad de la matriz. Otro aspecto a resaltar es que se pueden forjar isotérmicamente partes complejas, con buena precisión dimensional para una forma casi neta con un golpe en una prensa hidráulica. Este proceso es costoso y la velocidad de producción es baja Por lo general, las matrices para forjado en caliente de aleaciones de alta temperatura están hechas de aleaciones de níquel y molibdeno (debido a su resistencia a altas temperaturas), aunque para las aleaciones de aluminio se pueden utilizar matrices de acero.
Sin embargo, puede ser económico para forjas intrincadas especiales, fabricadas con materiales como el aluminio, titanio y superlaciones, siempre que la cantidad requerida sea suficientemente grande para justificar los costos de las matrices. TIPOS DE MAQUINA PARA FORJA
Estas máquinas se clasifican por la forma de hacer contacto con el material de trabajo; esto es, por impacto y a presión. POR IMPACTO
POR PRESION Mecánicas
Husillo-tuerca De cuña De rodillera
Prensas
De biela-cigüeñal
Hidráulicas
Aplicación más lenta de la presión, mayor eficiencia, mayor costo inicial
PRENSA HIDRAULICA La corredera de una prensa hidráulica es manejada por pistones. Seguido a una aproximación rápida, la corredera se mueve con una velocidad baja realizando la compresión de la pieza de trabajo, que se retiene en la matriz inferior. La velocidad de compresión puede ser exactamente controlada así, permitiendo también el control de la velocidad del flujo del metal. Esta característica es particularmente ventajosa ya que produce forjas con tolerancias cerradas. PRENSA HIDRAULICA
VENTAJAS
DESVENTAJAS
-La presión puede ser modificada en cualquier punto de la carrera -el porcentaje de deformación puede ser controlado durante la carrera
-costo inicial es más alto comparando con una prensa mecánica -menor velocidad de accionamiento
Elaboración propia
PARÁMETROS DE OPERACIÓN PARA UNA PRENSA HIDRAULICA Para la selección de las prensas será necesario calcular primero la presión y la carga de forja demandada por la pieza, además, es necesario diseñar las etapas intermedias para revisar la posibilidad de que la estampa se adapte a las dimensiones de la prensa. Una vez cubiertos ambos requisitos se tendrá la seguridad de que la pieza se puede producir con el equipo propuesto
La carga para forja ya sea en matriz abierta como en cerrada, se puede calcular de la siguiente manera: =
Donde: P= carga de forja = Esfuerzo de cedencia promedio durante la deformación A= Área proyectada por la pieza perpendicular al desplazamiento de la estampa C= Es un valor que dependerá de las características del proceso. CÁLCULO TEÓRICO DE LA CARGA. -Ángulo de salida. De 1 a 70, esto dependerá de la precisión de la forja, si la superficie es interior o exterior, y de su longitud.
-Sobre-espesor para maquinado. Este se determina en función de la calidad de la operación de forja así como de los acabados requeridos por la pieza. Sobre-espesores para maquinado Espesor, anchura o diámetro de la pieza (mm) 30 31 a 60 61 a 120 121 a 250 251 a 500 500
Sobre-espesor en cada cara (mm) 1 1.5 2 2.5 3a6 5a8
Para calcular la presión necesaria para el correcto llenado de las cavidades o nervios de la pieza. Esta cavidad presenta un radio en el fondo r 2, la sección en el fondo es Af, la sección de la entrada es Ae, el coeficiente de fricción del material con las paredes laterales de la estampa es . La presión P2 se calcula gráficamente empleando curvas como las de la figura 4.19. Donde: L= es el ancho en el fondo de la cavidad Lm= es el ancho promedio de la cavidad Pam= umbral de plasticidad al aplastamiento Prm= umbral de plasticidad a la retención H= altura del nervio o teton Pam+Prm+Pa = 9.7 kg/mm 2 para aluminio a 525 °C
La corredera de una prensa hidráulica es manejada por pistones. Seguido a una aproximación rápida, la corredera se mueve con una velocidad baja realizando la compresión de la pieza de trabajo, que se retiene en la matriz inferior. La velocidad de compresión puede ser exactamente controlada así, permitiendo también el control de la velocidad del flujo del metal. Esta característica es particularmente ventajosa ya que produce forjas con tolerancias cerradas.
Se decide usar una prensa hidráulica por sus características para producir forjas con tolerancias cerradas y a que nos permite tener un mejor control de: -La velocidad de compresión, velocidad del flujo del metal, el porcentaje deformación y de la variación uniforme de la carrera. -Los parámetros de operación para la prensa hidráulica son: la presión y la carga de forja demandada por la pieza.
Prensa hidráulica
Elegimos el proceso de forja de precisión o sin rebaba realizando tablas comparativas y basándonos en lo que queríamos obtener. De igual forma para seleccionar el tipo de máquina.
Sustitución del proceso de fabricación del pistón por fundición a pistón por forjado. Se desea sustituir la fabricación del pistón por fundición a la fabricación del pistón por forjado esto principalmente por los siguientes motivos: Mayor productividad. Mayor exigencia que se puede dar al pistón debido a que la aleación de aluminio que se utilizara en el forjado presentará mejores características que la aleación utilizada en fundición.
-
A continuación indicaremos las principales características comparativas de los pistones diseñados por fundición y los pistones diseñados por forja. PIEZA FUNDIDO -
Estos no son tan fuertes Tiene buena resistencia, pero es muy pesado Un pieza fundida produce menos ruido, esto debido a que sus paredes son ajustadas
PIEZA FORJADO -
Estos son más ligeros y más resistentes Estos pueden soportar cargas mucho mayores y no sufren ruptura alguna Estos son fuertes Sus partículas están mucho más comprimidas y esto puede que ayude a que la pieza sea mucho más resistente
-
El proceso de su fabricación mejora su resistencia al desgaste ya que son sometidos a tratamientos de templado.
-
El proceso de forjado elimina la porosidad en el metal Mejora la ductilidad Permite una mejor disipación de temperatura.
Así mismo podemos mencionar que las ventajas y desventajas de los pistones fabricados por fundición respecto a los fabricados por forja son:
Ventajas Piezas Forjados
-
Piezas Fundidos
Mayores propiedades mecánicas Menor peso Alta producción
Gran resistencia a golpes de alta temperatura.
Desventajas Se trabajan en caliente, tienen tolerancias más grandes, pero a estos se les da la exactitud necesaria con procesos de corte y torno.
Mayor peso Perdida de energía por el peso Aumento en la energía cinética creada por el mismo peso.
Beneficios: Un beneficio seria que las piezas forjadas puede que necesiten menos material para el proceso de fabricación y puede que su peso sea menos. Otro beneficio seria que como ya mencionamos antes que las piezas forjadas tienen sus granos más ordenados esto hace que la pieza sea más resistente. Una pieza forjada es mucho más fácil para los fabricantes a producir no se necesita de muchos moldes y su producción es alta, por su proceso que puede realizarse muchas piezas en poco tiempo.
REDISEÑO GEOMÉTRICO
Vista del pistón fundido en corte
Vista del pistón forjado en corte
Para empezar con el nuevo diseño indicamos las superficies funcionales y las no funcionales, para que con esta información se realice los cambios en la superficie no funcionales ya que no cumplen con una función principal. -
Superficies funcionales (las que se consiguen por mecanizado) Cabeza del pistón, anillos del pistón, falda del pistón
-
Superficies no funcionales La parte interna del pintón
Después tomaremos en cuenta dos puntos importantes para el rediseño geométrico: -
Eliminamos las cavidades que requieran de corazones para ser fabricadas Tratamos de mantener la igualdad de la masa del pistón fundido y el pistón forjado.
REDISEÑO DE LAS CAVIDADES INTERIORES
Pistón fundido
Pistón forjado 5
2
3
1
1. 2. 3. 4. 5.
Se decido aumentar el grosor de la pared para poder obtener lados con espesores constantes y así facilitar la entrada y salida del punzón durante el forjado. Se decidió hacer un cambio geométrico para adecuar la pieza en el proceso de forjado Se decidió aumentar material al interior del material para obtener un diámetro interior constate Se decidió aumentar material para que tenga una geometría simple Se realiza el redondeo de estas partes para tener un resultado homogéneo
Se realiza un vaciado en la parte interna del pistón, modificando los soportes para el alojamiento del bulón y consiguiendo un diámetro interior constante.
Realizamos, el nuevo diseño para los soportes del alojamiento del bulón. Adecuando el mismo para que sea posible realizar mediante forja. Se mantiene el espesor de la pared superior de 8 mm y las paredes se aumentaron a un espesor de 6 mm.
- Se realiza el redondeo de estas partes con un radio de 3.5 mm manteniendo el dato del pistón fundido
Con los cambios descritos hasta esta parte se cumple lo que indica el primer punto
A continuación y con la ayuda de las “herramientas físicas” del programa de solidworks se realizara la comparación entre las masas de ambos pistones. PISTÓN
MAS A (gr)
Por fundición
351.40 384.53
Por forja
Se puede observar que la diferencia entre las masas son del 9.42 % no es un muy fuerte diferencia de masa y con eso cumplimos el segundo punto de no alejarnos del valor de la masa del pistón fundido
SELECION DE MATERIAL PARA FORJA El rediseño se realizara por el proceso de forjado de precisión, así que la aleación que escogeremos se tiene que adecuar a este proceso de forjado, empecemos seleccionando las aleaciones para este proceso AL EA CI ON ES DE ALU MI NIO PA RA LA FA BR IC AC ION DE PIS TONE S POR FORJA DE PRECISION Para empezar con la selección de material del pistón por forja es importante aclarar que ambos pistones llegaran a tener las mismas propiedades buscadas pero no por eso la aleación para “fundición” será la misma que para “forja” porque la estructura metalográfica
que se forma en ambos procesos es completamente distinta. Para la selección de aleación para el proceso de forja tomaremos en cuenta los criterios de selección, antes mencionados para la selección del proceso de fundición. CRITERIO #1
E l proces o de fabricación debe ser s encillo debe adecuarse al proceso de forjado de precisión. De igual forma el acabado final del proceso de producción es el mecanizado y no podemos exentarnos de este proceso por lo tanto el material de selección debe s er
capaz de ser mecanizado CRITERIO #2 La aleación para forja al igual que para el proceso de fundición el porcentaje de elongación debe ser bajo ya que como se había mencionado antes el pistón debe mantener extrema precisión dimensional, no debe deformarse. En el proceso de forja el porcentaje de alargamiento esta entre 10-25 %, tomaremos un límite de 10%, es decir no debe pasar este porcentaje para ser considerado como opción. Además de parte del proceso al que está sometido durante su proceso de fabricación será altas temperaturas este debe tener un coeficiente de dilatación bajo CRITERIO #3 Igual de en fundición tomaremos en cuenta la resis tencia a la corros ión , en este caso de igual forma tomaremos en cuenta el porcentaje de cobre en un 4,5%, no puede superar este porcentaje. CRITERIO #4
La res is tencia debe ser mucho mayor de la de fundición, debido a que un pistón forjado tiene una estructura metalográfica mucho más ordenada, esto se debe al proceso de forjado que comprime las moléculas del metal. Con los criterios indicados anteriormente indicamos las posibles aleaciones para el proceso de forjado.
Aleación forja 2218 6061 4032 2024 7075 2618
Resistencia a la tracción (MPA) 370 262 380 455 524 440
% de Temperatura (Resistencia alargamiento de forjado a la corrosión) 10 410-455 1,9-2,7 10 430-480 0,15-2,7 9 415-460 0,50-1,3 5 420-450 3,9 11 380-440 1,2-2 4,5 560-670 1,8-2,7
DUREZA [HB] 140 -150 48 - 110 120 120 140 140-150
Empezaremos con el porcentaje de alargamiento, la aleación 7075 pasa el límite indicado en los criterios, así que es descartado de las opciones. Las aleaciones que son las mas indicdas para este proceso son la, 2024 y la 2618. Haciendo una comparacion entre estas dos aleaciones la alacion 2024 es la escogida por su mayor resistencia ala traccion, por el % de alargamiento dentro del limite indicado, por la temperatura de forjado mas baja y por la baja dureza de la aleacion. Entonces tenemos como aleacion escogida la 2024 Ahora realizamos la comparación de resistencias -Resistencia a la tracción del aluminio Fundido (Mpa) 275 -Resistencia a la tracción aluminio Forjado (Mpa)
=
455 275 275
455
× 100 = , %
La aleación de aluminio forjado es 65,45% más resistente que la aleación utilizada para fundición. Con esto se cumple el criterio numero 4 Aleacion 2024 Densidad (× 1000 kg / m 3 ) Módulo elástico (GPa) Resistencia a la tracción (Mpa) Fuerza de rendimiento (Mpa) Elongación (%) Dureza (HB500) Resistencia a la fatiga (MPa) expansión térmica(10 -6 / ºC) Conductividad térmica (W / mK) Resistividad Eléctrica(10 -9 Ω -m)
2.78 73 455 415 5% 120 110 19.4 151 45
COMPOSICION QUIMICA DE LA A LEACION 2024
Si (%)
Fe (%)
Cu (%)
Mn
Mg (%)
0.50
0.50
3.8-4.9
0.30-0.9 1.2-1.8
Cr (%)
Zn (%)
Ti (%)
0.10
0.25
0.15
PROVEEDORES DEL ALUMIIO 2024 1 EMPRESA
FORMATO
PAIS
Shanghái
Dimensiones: 3 ~ 500mm Longitud 3000mm, 6000mm o según los requisitos del cliente.
Pagani S.A Buenos Aires - Argentina
BARRAS CIRCULARES Dimensiones Diámetro: 0.1-600mm Longitud: 1-12m
Argentina
ESPECIFICACIONES Uso: Para la industria Forma: Redondo, Redondo, redondo, plano, cuadrado, triángulo, hexágono, ángulo Certificación: ISO, ISO Uso especial: Aceros de la válvula Material: Acero inoxidable Certificado: Iso 9001 Superficie: Negro, escabeche, brillante Moq: 1 tonelada Paquete: Paquete marinero Precio: Precio de fábrica Tipo: Redondo Forma: Barra redonda Técnica: terminado en frío Dureza: Dureza Brinell 500Kg bola 10mm Aleación o no: Es la aleación Al (Min): 90%-90.7% certificado: ISO9001: 2008 característica: alta Resistencia, resistente al calor, buena maquinabilidad,baja elongación. aplicación: partes automotrizes ,elementos de fijación de aeronaves y estructuras, partes de computadoras, engranajes, ejes, pasador de bisagras,etc
Diámetro exterior
8mm, 10mm, 12mm, 15mm, 16mm, 20mm.22mm, 25mm. 28mm, 45mm, 50mm, 50,8 mm, 60mm, 70mm, 80mm, 100mm. 101.1mm, 150mm, 177.8mm, 200mm, 250mm, 300 mm, 400 mm. 500 mm, 573mm 600 mm,etc.
1
https://spanish.alibaba.com/product-detail/2024-1350-6064-t5-t6-aluminum-alloy-barsduralumin-alloy-bars-60413248280.html?spm=a2700.8699010.29.99.76403b36NoGET6
CALCULOS DE DIMENCIONES DEL TOCHO El proceso de diseño de tocho responde al modelo rediseñado para su calculo de se optiene los datos del volumen a partir de las propiedades fisicas de la pieza realizada en el software Solidworks.
El volumen de la pieza del piston forjado es de: = 157630.08 Milimetros cubicos
Establecemos un diametro de 70 mm para el tocho, dejando 2 mm para su mecanizado posterior. Utilizando la ecuacion del volumen de un cilindro y manteniendo el diametro se podra obtener la altura especifica del tocho. Utilizando el volumen de un cilindro obtendremos la altura del tocho, se incremento el volumen del tocho a un 18.5 %.
= ℎ
D=70mm
h = h==
.+(,∗,)
h=48,54mm Considerando la dilatacion termica de la aleacion del tocho se realiza el siguiente calculo para aumentar sus dimenciones ∗ ∆ ∗ =
DILATACIÓN DE LA ALTURA = 24.710−*150*40,95X10− ∗ 1000 = . = = 48,54 0.19 = , mm
DILATACIÓN DEL DIAMETRO = 24.710− *150 *70X10− ∗ 1000 = . = =70+0.26= 70.26mm
70,00m
m
m
3
,7
8
4
DISEÑO DE LAS HERRAMIENTAS DEL FORJADO SELECCIÓN DEL MATERIAL DE LA HERRAMIENTA Las propiedades que las matrices de forja deben tener son las siguientes -
Dureza suficiente y capacidad para conservarla a temperaturas elevadas: Resistencia al desgaste, deformación plástica, agrieta- miento por fatiga térmica). Nivel mejorado de resistencia a la tensión en caliente y dureza en Buena tenacidad y ductilidad a temperaturas bajas y Es importante que el acero de matriz presente una tenacidad/ductilidad adecuada en todas las direcciones. Nivel adecuado de resistencia a la fatiga Suficiente templabilidad Susceptible de reparación con soldadura. Buena maquinabilidad
SELECCIONAMOS LOS MATERIALES PARA LAS HERRAMIENTAS COMPOSICION QUIMICA DE LOS MATERIALES PARA LAS HERRAMIENTAS
COMPARACIÓN CUALITATIVA DE RESISTENCIA EN PROPIEDADES BÁSICAS
Acero Premium aleado al Cr-Mo-V (H13 1,2344) con buena resistencia a la fatiga térmica. El acero se produce con una técnica especial de fundido y refino. Cumple las propiedades que buscamos.
PROVEEDOR AISI H 13 1,2344 1 (IR A ANEXO 5)
EMPRESA
PRODUCTO
Barra Diámetro: 8-600 mm Sichuan Liaofu Special Steel Trading Co., Ltd.
PAIS
CARATERISTICAS 1. Enfriamiento de aire endurecido acero caliente herramienta de trabajo, más ampliamente utilizado. 2. Alta resistencia a la fatiga del frío y del calor de la alta resistencia. 3. Piel pequeña de la distorsión, de la deformación y del óxido después del tratamiento térmico durante el enfriamiento por aire. 4. Buena resistencia de la socavación de la fusión de aluminio.
Técnica de forja Calor Temperatura
Comienza forjar Temperatura 1120-1150 ° C 1050-1100 ° C
a Acabado Forjado Temperatura 900-850 ° C
Método de enfriamiento Enfriamiento de pozos o arena
DADO PUNZÓN (MATRIZ SUPERIOR) El diseño del punzón es muy importante ya que le da la forma a la pieza y tiene efectos sobre la presión, por lo cual al momento de diseñarla se consideró el redondeo del punzón, se lo diseño así de manera que este evite deformaciones.
: http://es.nngsteel.com/Products-show/Hot-work-tool-steel/1.2344---H13---SKD61-Tool-steel.html
-El diseño del punzón empieza abriendo el pistón forjado, seleccionamos la herramienta escala y seleccionamos el pistón.
-Luego seleccionamos la arista/cara de referencia para la línea de partición
-en esta parte es necesario crear un croquis en la parte inferior para generar la superficie de separación.
-Seleccionamos herramienta núcleo/cavidad configuramos separaciones en direcciones.
la de y las ambas
Finalmente tenemos el punzón armado, a continuación se realiza modificaciones en el diámetro y altura debido a la dilatación térmica del material.
Para calcular el basamos en la teoría calentado a la misma forjar, ya que es un esto que se deberá térmica del material
diámetro del punzón nos de que el punzón deberá ser temperatura que el material a proceso isotérmico, es por considerar la dilatación H13 del punzón y el material
del tocho que es la aleación de aluminio 2024, de manera que al diseñar el punzón se considerara la dilatación térmica en sus dimensiones.
HERRAMIENTA
MATERIAL
PUNZÓN
H13
TEMPERATURA
DILATACION VOLUMETRICA
425 ºC
Aleación de aluminio 2024
12.2%
DILATACION VOLUMÉTRICA 24.7 %
= ℎ = 24,7 12,2 = 12,5
Conocido el coeficiente de dilatación, este este deberá ser multiplicado por las dimensiones del punzón y por la temperatura a la cual este es calentado, para saber cuál será la extensión total de la pieza.
∗ ∆ ∗ =
D= 56mm H= 83mm = (12.510− *-90*56X10−) ∗ 1000 = , = = 56 0.03 = . mm = 12.510− *-90*83X10− ∗ 1000 = ,
Altura real = 87-0.09=86.91 mm
. mm
m
m
1
,9
6
8
DADO INFERIOR (MATRIZ INFERIOR) Para diseñar el dado se tomó en cuenta la resistencia y la ductilidad del material del pistón, así como la sensibilidad de la pieza, su sensibilidad a la velocidad de deformación y a la temperatura, su característica de fricción y la forma de nuestra pieza. -En primer lugar se extruye un cilindro de 100 mm de diametro y con una altura mayor a la del pistón.
-mediante una extracción en corte creamos la parte interior del dado.
Al ser un proceso isotérmico, el dado inferior deberá ser calentado a la misma temperatura que el material a forjar, es por esto que se deberá considerar la dilatación térmica del material H13 del dado y el material del tocho aleación de aluminio 2024, de manera que al diseñar el dado inferior se considerara la dilatación térmica en sus dimensiones. Aleación de aluminio 2024
HERRAMIENTA
MATERIAL
DADO
H13
DILATACION VOLUMÉTRICA 24.7 %
TEMPERATURA
DILATACION VOLUMETRICA
540 ºC
12.2%
= ℎ = 24,7 12,2 = 12,5
Conocido el coeficiente de dilatación este este deberá ser multiplicado por las dimensiones del dado y por la temperatura a la cual este es calentado, para saber cuál será la extensión total del solido en las condiciones que deberá soportar. =70mm =95mm ∗ ∆ ∗ =
= 12.510−*25*70X10− ∗ 1000 = . = = 70 0.022 = . mm = 12.510− *25*90X10− ∗ 1000 = . = = 95+0.0344=95,03mm = = 100 0.022 = . mm = 12.510− *25*135X10− ∗ 1000 = .
ALTURA REAL DEL EXTERIOR= 110+0.03=110,03mm
70,00mm
1 m
3
5
9 3
,0
1 ,0 m
0
100,02 mm
PROCESO DE FABRICACIÓN
m
m
El proceso de fabricación de un pistón comienza con el material de partida que es una barra de aleación de aluminio 2024 ya que cuenta con las propiedades buscadas. Posteriormente se diseña en tocho de una longitud de 40,95mm. El método de f orja por el cual se obtendrá el pistón es el forjado de precisión con la operación de forjado isotérmico, donde en este proceso el punzón y dado se mantienen a la misma temperatura que el material de forjado. Esto con la finalidad de mantener el material a una temperatura constante durante todo el ciclo de forjado. Al ser un proceso de forjado isotérmico el dado, punzón y el tocho deberá ser calentado hasta alcanzar la temperatura de forjado de la aleación de aluminio 2024.
Aluminio 2024 = 420-450°C Los parámetros del proceso a controlar son: -temperatura de forja isotérmica -el diámetro y longitud del tocho -lubricación adecuada en base al coeficiente de fricción del material -temperatura de precalentamiento del tocho y dados tanto superior e inferior El tipo de máquina para forjado será por aplicación de presión, en este caso una prensa hidráulica, esta se escogió debido a que nos permite tener un mejor control de: -La velocidad de compresión, velocidad del flujo del metal, el porcentaje deformación y de la variación uniforme de la carrera -Los parámetros de operación para la prensa hidráulica son: la presión y la carga de forja demandada por la pieza. Posteriormente el pistón requiere un mecanizado en el exterior, para el cual se tiene un sobre espesor en función del acabado requerido mencionado en el punto 3.
EVALUACIÓN DELA FABRICACIÓN En la evaluación de la fabricación seguimos estos pasos
1 BUSCAR UNA ALTERNATIVA PARA DISEÑAR EL PISTÓN POR
2
3 REALIZAMOS UN ESTUDIO DE PROCESODE FORJA Y SUS ALEACIONES
DISEÑAMOS EL PISTON FUNDIDO EN SOLIDWORKS
5
4 ANALAZAMOS EL PISTON Y REALIZAMOS CAMBIOS NECESARIOS PARA FACLITAR EL PROCESO DE FORJADO
6 DISEÑAMOS ELNUEVO PISTON CON LOS CAMBIOS GEOMETRICOS Y SUS HERRAMIENTAS EN SOLIDWORKS
SIMULAMOS EL PROCESO DE FORJADO DE UN PISTON EN DEFORM 3D
3TA PARTE SIMULACION DEL PROCESO DE FORJADO DE UN PISTON EN DEFORM 3D A continuación se procederá a verificar por medio de una serie de simulaciones el proceso de fabricación de un pistón por forja.
1RA PRUEBA En base a las medidas del pistón forjado se diseña el punzón y el dado inferior, el pistón tiene las siguientes dimensiones: Diámetro: 68 mm Altura: 90 mm Espesor de la pared 6 mm
Se realizó un Redondeos de 3.5 mm para que el metal al ser forjado pueda lograr tener un mejor acabado, ya que las esquinas en el proceso de forja son los lugares donde el metal no llega a rellenar completamente.
Dado inferior
Punzón
Se realiza la 1ra prueba con una altura del tocho H= 41.14 mm Diámetro=70
Posteriormente se procede a realizar la simulacion con ayuda de deform 3D, para verificar que modificaciones se debe realizar en las dimensiones.
El piston llega a tener una altura minina de 71 mm, por lo que aumentamos el volumen del tocho.
2RA PRUEBA En base a las medidas del pistón forjado se realizó el diseño d e las herramientas (punzón, dado inferior y tocho).
Dimensiones del pistón forjado Diámetro: 68 mm Altura: 90 mm Redondeos de 3.5 mm Espesor de la pared 6 mm
Dimensiones del punzón
Diámetro= 55.97 mm Altura= 82.91 mm
Dimensiones del dado inferior Diámetro interno = 70.02 mm Diámetro externo= 90.03 mm Altura interna = 90.03 mm Altura externa= 100.03mm
Dimensiones del tocho Diámetro= 70.02 mm Altura =41.15mm
El piston llega a tener una altura minina de 71 mm, por lo que es necesario aumentar el volumen del tocho y modificar las dimensiones de las herramientas.
3DA PRUEBA Se modificó las dimensiones de las herramientas y se incrementó el volumen del tocho a un 15%. Usaremos una velocidad de 250 mm/s
Dimensiones del punzón Diámetro= 55.97 mm Altura= 86.91mm
Dimensiones del dado inferior
Dimensiones del tocho
Diámetro interno= 70.02 mm Diámetro externo= 100.02 mm
Altura = 47.29 mm Diámetro = 70.02 mm
Altura interna = 95.03 mm Altura externa= 110.03mm
Con todos estos cambios realizados se obtiene una altura de h= 79.66 como mínima y h=94.45 mm como máxima.
4RA PRUEBA Se incrementó el volumen del tocho a un 20%, se mantiene la velocidad del punzón a 250 mm/s
Dimensiones del tocho Altura = 49.15 mm Diámetro = 70.02 mm
Con este cambio de volumen llegamos a tener una altura de h= 91.55mm como mínima y h=95.03 mm como máxima. El único inconveniente es que existe rebaba excesiva.
5TA PRUEBA Al tener una rebaba excesiva, rebajamos el volumen de incremento del tocho a un 18.5 %, se rebajó la velocidad del punzón a 200 mm/s.
Dimensiones del tocho Altura = 48.74 mm Diámetro = 70.02 mm Con los cambios efectuados conseguimos eliminar casi por completo la rebaba y una altura de h= 86.73 mm como mínima y h=95.14 mm como máxima.
6TA PRUEBA Mantenemos el volumen de incremento del tocho a un 18.5 %, se incrementó la velocidad del punzón a 225mm/s.
Dimensiones del tocho Altura = 48.74 mm Diámetro = 70.02 mm En
esta simulacion llegamos a tener una altura de h= 90.14 mm como mínima y h=95.13 mm como máxima.
Seguidamente se corrigen los detalles para tener una simulación con la mayor calidad posible
Una vez terminada la etapa de simulación, se procede a realizar un análisis de fuerzas para determinar la fuerza requerida por la prensa.
Mediante el grafico podemos observar que la fuerza requerida para el forjado de esta pieza es: F= 2 030 000 (N)
PISTONFORJADO
PISTON DESPUES DE FORJA
PISTON DESPUES DE MECANIZADO
