Moldeo metálico por gravedad para la manufactura de una biela de bicicleta

MOLDEO METÁLICO POR GRAVEDAD PARA LA MANUFACTURA DE UNA BIELA DE BICICLETA Daniel Flórez-Orrego, Julián Arenas Tirado Facultad de Minas, Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín Carrera 80 #65-223 Medellín – Colombia www.unalmed.edu.co

INTRODUCCION La colada en coquilla por gravedad o moldeo metálico por gravedad consiste en obtener una pieza fundida a partir de un molde metálico llamado coquilla, en el cual se vierte un metal líquido que lo llena bajo la sola acción del peso del metal. Debido al costo relativamente alto de los accesorios y del mismo molde, el proceso de moldeo por gravedad se aplica con una cantidad de piezas relativamente alta y está restringido a determinados materiales fundibles como veremos a continuación. A continuación, se realiza un análisis de la selección del método de fundición para una biela de bicicleta, teniendo en cuenta las solicitaciones más importantes que se deben cumplir para un perfecto desempeño de la pieza. PAUTAS PARA LA SELECCIÓN DEL PROCESO DE MOLDEO Procesos tentativos que nos podrían satisfacer ciertas condiciones para la manufactura de BIELA DE BICICLETA son: Colada por gravedad en moldes de arena y colada por gravedad en moldes metálicos. La elección de un proceso de moldeo, está ligada a ciertos factores:         

Volumen de la pieza. Características mecánicas. Precisión de cotas. Complejidad de formas. Estado de la superficie. Número de piezas a fabricar. Tiempo de fabricación. Costo de fabricación y amortización (reembolso). Maquinado requerido luego de la fundición.

En adelante expondremos las razones por las cuales el moldeo metálico por gravedad es el mejor candidato para la fabricación de la pieza en estudio; daremos entonces una descripción general de dicho método para luego finalizar con un breve resumen del proceso de fabricación de la coquilla y la pieza. DESCRIPCIÓN GENERAL El molde debe estar diseñado de forma tal que toda su cavidad sea llenada, ya sea por: Colada directa (de arriba hacia abajo) o por el Principio de los vasos comunicantes. La forma de la pieza a obtener esta dada por una cavidad hecha en la parte interna del molde. Esta cavidad posee normalmente uno o varios canales de alimentación y uno o varios canales de evacuación de aire.

Partes que constituyen el molde: -Cavidad interna que da la forma a la pieza. -El sistema de alimentación. -Los dispositivos de evacuación de aire. -Los dispositivos de cerrado y de desmoldeo. -Los elementos de extracción de la pieza. Figura 1. Molde metálico por gravedad. Durante la solidificación, el metal sufre generalmente una reducción de volumen, llamada contracción de solidificación, que debe ser compensada mediante un aporte de metal realizado por las mazarotas. Las coquillas pueden ser de diversos tipos y componerse de varios accesorios, sin embargo las más comunes en el moldeo metálico son las coquillas de dos chapas. (Véase [1] página 108). Variaciones del moldeo metálico    

Moldeo metálico a baja presión Moldeo metálico a alta presión Moldeo metálico por vacío. Slush (no se deja solidificar del todo). Machuelos

Las cavidades de la pieza se obtienen mediante machos metálicos que se extraen con facilidad una vez que ha solidificado la aleación. También pueden emplearse machos de arena u otro material que se destruyen después de la colada; en este caso el molde se, denomina semipermanente (Luego, la precisión dimensional, las propiedades mecánicas y la microestructura serán muy semejantes a las que se obtienen con el moldeo en arena). Respiraderos El problema de este tipo de moldeo es que, dado que no es permeable como la arena de fundición, necesitan de orificios en el molde para la evacuación de gases ya que con estos adentro puede aparecer excesiva porosidad en las piezas. Enfriadores Pueden incluirse insertos de cobre puro en regiones de sobrecalentamiento o enfriamiento lento (a modo de enfriadores internos) para evitar micro rechupes, típicos en zonas localizadas. Materiales para la fabricación de la coquilla Tabla 2. Materiales recomendados para la fabricaron de coquilla: Designación Bases chapas Partes adicionales Noyos y broches Extractores Clavijas de centrado

Materiales (AFNOR) A-S5U Fundición gris C 28 d 35 NC 15 Z 35 CDSVO5 Z 25 CDW 06-05-05 Z 35 CDSV 05 16 NC 6 Z 35 CDSV05

SAE

1205 H 13 H 13 3115 H 13

Estado Bruto 1 1 3 3 1 3-4 5-3 3-4

Dureza o resistencia

490-590 MPa 980-1080 MPa HRC 40-50 780 MPa HRC 45 490-590 MPa HRC 45-50

1. recocido

2.Temple

3. Temple y revenido

4. Nitrurado

5. Cementado.

(Para más información véase [2]) Ventajas del moldeo metálico por gravedad 1) Mayor precisión, y constancia en las dimensiones de las piezas. 2) Superficies mejor acabadas y reducción del rebarbado. 3) Menor mecanizado: a veces se usan las piezas brutas de fundición. 4) Se obtiene una estructura más densa y compacta, de grano más fino y propiedades mecánicas más elevadas. 5) La producción es más rápida. 6) Existencia permanente de los canales de distribución, llenado y ataque, además de los respiraderos. 7) Un solo molde permite la producción de numerosas piezas. Inconvenientes del moldeo metálico por gravedad 1) Los moldes y accesorios necesarios en este producto son relativamente caros, por esta razón su utilización sólo resulta económica cuando el número de piezas que se desea fabricar es lo suficientemente elevado para compensar el desembolso inicial de las coquillas, machos y demás accesorios (puede considerarse en el orden de más de 1000 piezas). 2) La forma no debe ser muy complicada ni con detalles y las dimensiones de las piezas están restringidas. 3) Dado que las coquillas se construyen con acero o fundición recubiertos de material refractario, se suelen utilizar solo para el moldeo de piezas metálicas con menor temperatura de fusión que los materiales ferrosos. Productividad y Costos Se pueden fabricar hasta 15000 piezas de fundición gris o 10000 piezas de aluminio por cada molde sin reparación alguna. Tabla 1.Comparación de los costos de producción para un moldeo por coquilla y otro por Comparación de costos por (1672 fundición en molde de arena vs fundición en molde arena piezas fabricadas). metálico (para 1672 piezas) Item Metal Fusión Machuelos Moldeado Mecanizado para retirar canales Desbarbado Mano de obra Tratamiento termico Esmerilar la cara A y aplanar la cara B Esmerilar la cara A y aplanar la cara B Acabado superficial de A y B Taladrado,achaflanado, ensanchado de agujeros, roscado de 3 agujeros Roscado de 3 agujeros Acabado del aplanado y el esmerilado Fresado de 2 superficies Mecanizado y roscado de 4 agujeros Carga Costo total por fundición Ahorro por fundición

Costo por fundición Molde en arena (28,8 Lb) Molde permanente (25,2 Lb) $ 7,375 $ 6,450 $ 2,320 $ 1,325 $ 0,362 $ 0,362 $ 1,128 $ 1,054 $ 0,169 $ 0,147 $ 0,124 $ 0,124 $ 0,326 $ 0,326 $ 1,425 $ 0,750 $ 0,250 $ 0,250 $ 1,920 …………. …………. $ 0,420 $ 0,250 …………. $ 0,330 $ 0,650 $ 0,400 $ 2,125 $ 19,154

(a) $ 0,180 $ 0,330 $ 0,650 $ 0,400 $ 1,608 $ 14,466

$ 4,688

(a) Los agujeros fueron hechos con machuelos en el molde permanente (pipe holes)

Figura 2. Carcasa correspondiente al analisis realizado en la tabla 1. Sistemas de moldes permanentes por gravedad.

Figura 3. Maquina de fundición por molde permanente para operación manual.

Figura 4. Maquina para fundición por molde permanente con guías para operación manual, requerida para moldes con cavidades profundas.

Ángulos de salida Los ángulos de salida son una modificación de la forma de la pieza y del noyo para facilitar su extracción. Los machos deben tener salidas suficientes para facilitar el desmoldeo y evitar la deformación de la pieza. Algunas consideraciones geométricas de coquilla y pieza Es muy difícil de dar especificaciones precisas que rigen los espesores de los moldes en los diferentes casos. Para aplicaciones corrientes, el espesor del molde puede estar entre 25 y 50 mm. Para las piezas, las tolerancias típicas son 2 % de las dimensiones lineales. El acabado superficial esta entre el rango 2.5 µm a 7.5 µm (100 µin a 250 µin) y los rangos típicos del tamaño están entre 50 g y 70 Kg. (Véase [1], página 116). REALIZACION DEL PROCESO Operaciones La obtención de las piezas en las coquillas consta de las siguientes operaciones: 1) Limpieza de las diversas partes del molde con aire caliente a presión y calentamiento hasta la temperatura más adecuada para la colada. 2) Recubrimiento de la cara del molde con una delgada capa de material refractario o negro de humo procedente de una llama reductora de gas. 3) Colocación de los machos y cierre del molde. 4) Colada del metal en el molde, dejándolo en reposo el tiempo suficiente para que la pieza solidifique. 5) Extracción de la pieza del molde.

Figura 5. Operaciones en el moldeo metálico por gravedad. A continuación, se dan más detalles de los procesos involucrados en el diagrama anterior. Recubrimientos Las pinturas o recubrimientos aislantes son baños con los que se recubren las superficies de los moldes que van a estar en contacto con el metal. Sus funciones son:

  



Proteger la coquilla de un contacto químico-reactivo evitando la interacción directa entre el molde y la aleación colada. Actuar como aislante haciendo que la temperatura de la superficie del molde se mantenga inferior a la de la aleación. Regular el enfriamiento como es el caso de los recubrimientos aislantes, los cuales constituyen un obstáculo a la evacuación de calor, retardando la solidificación en ciertas zonas específicas. En otras ocasiones actúa como refrigerante, evacuando calor desde la superficie de la pieza, obligándola a contactar con el molde. Facilitar el desmoldeo.

Para los recubrimientos se emplea una suspensión acuosa de cemento refractario, aceite para machos y grafito, o puede usarse arcilla o silicatos de sodio. Además, se pueden moldear varias piezas de manera continua si al molde se le trata pasando por su superficie una llama de acetileno y formando una capa de hollín. Las pinturas a base de caolín ayudan a mantener el calor en alimentadores y sistema de colada; las pinturas a base de grafito ayudan a aumentar la conductividad por lo que se aplica en zonas calientes y/o en la cavidad del molde a llenar. Precalentamiento Los moldes son precalentados arriba de 200°C antes de vaciar el metal fundido en la cavidad. El diseño de la cavidad para los moldes permanentes no sigue las mismas reglas para contrarrestar el encogimiento como en el moldeo por arena, ya que el mismo metal del molde se calienta y se expande durante el vaciado, con lo cual la cavidad no necesita ser sobredimensionada de manera considerable. Posición de la pieza en la coquilla En colada por gravedad, siempre que sea posible, se coloca la pieza simétrica al plano de junta. La posición de la pieza es definida de tal forma que permita adosarle el tipo de alimentación más apropiado. Si es posible la parte más gruesa de la pieza se debe dirigir hacia arriba. Se debe conocer el orden de solidificación de las piezas para así colocarlas de tal manera que la última parte en solidificar sea la de arriba. Cuidados durante la fusión del metal Evitar sobrepasar los valores preestablecidos de las temperaturas del metal, regular el horno y la conducta oxidante o reductora de la combustión, asegurar la limpieza de los crisoles antes de cada fusión, mantener en buen estado de las herramientas de mezcla y de manutención del metal, así como evitar depósitos de humedad. La dirección de solidificación En general se busca que la ultima parte de la pieza en solidificar este en la parte superior del molde, para colocar allí fácilmente una mazarota, con el fin de contrarrestar el fenómeno de rechupe. Si la forma de la pieza no permite un enfriamiento natural dirigido, es necesario entonces hacer uso de enfriadores en las partes que presentan problemas para la solidificación. Desmoldeo Una vez la pieza ha solidificado y alcanzado una resistencia suficiente, se abre el molde para extraer la pieza. Esta operación es en particular delicada para las piezas que presentan grandes diferencias de espesor ya que en ellas la velocidad de solidificación es diferente que para las diversas partes que las componen.

Enfriamiento El sistema de apertura y cierre de estos moldes debe ser rápido ya que los moldes no se retraen como la arena y deben abrirse antes de que se enfríe la pieza para evitar agrietamientos de esta. Por tanto ya puede deducirse que el tamaño de la cavidad será más parecido a la pieza final que en el caso del molde de arena. PIEZA: BIELA DE UNA BICICLETA Descripción Las bielas de la bicicleta son los componentes que van a transmitir la fuerza de las piernas a los platos y después a la rueda trasera mediante la cadena. Las bielas deben ser muy rígidas para que transmitan la fuerza en su totalidad y no se pierda energía en amortiguamientos por las flexiones del material. Debe tenerse en cuenta que es muy importante la longitud de la biela, ya que indica el brazo de palanca (entre mayor brazo más sencilla es la transmisión de potencia). Sin embargo una gran longitud de la biela conlleva a una menor distancia del suelo (algo que tampoco es muy favorable en momentos de maniobra dinámica). Las medidas longitudinales más comunes varían en un rango de 170 hasta 180 mm. Además, también puede encontrarse una variación de diámetros interiores de los agujeros donde va alojado el pedalier. Las bielas van sujetas al cuadro a través del eje del pedalier mediante una unión por tornillo Allen de 8,10 o 12 mm en la mayoría de casos. Análisis del papel mecánico que desempeña una biela de bicicleta La biela sufre tanto torsión (por la excentricidad de la fuerza en el pedal) como flexión (este último es mas ponderante y se produce por la acción que ejerce la pierna del ciclista con el fin de impulsar la maquina) y cortante (por la reacción vertical del tornillo que la sujeta al marco de la bicicleta). Supondremos una fuerza vertical sobre pedal correspondiente a dos veces el peso de un adulto promedio de 75 Kg., es decir P = 150 Kg. para garantizar una apropiada selección del material con las propiedades mecánicas requeridas y las dimensiones dadas de la biela. Para hallar los valores críticos de esfuerzos se realiza el estudio de la biela como si esta fuera una viga empotrada en uno de sus extremos y en el extremo libre se aplica una fuerza. Éste estudio se realiza en la posición que se considere mas critica como la que se muestra a continuación.

Biela

Diagrama de cuerpo libre Figura 6. Diagrama de cuerpo libre inicial.

La fuerza P puede ser trasladada al centro del extremo libre de la viga, adicionando un momento torsor T, producto de la fuerza por la distancia o excentricidad, respecto al empotramiento de la biela, de dicha fuerza, ejercida sobre el pedal. Las reacciones en el extremo empotrado son: F y, Tx y Mz y se calculan a continuación.

Biela

Diagrama de cuerpo libre

Figura 7. Diagrama de cuerpo simplificado (con la fuerza del pedalier desplazada). Mediante una simple inspección de la situación estática en la biela, podemos determinar que las reacciones en el extremo son:

Fy  150 Kg M z  Pl  150 Kg *17cm  2250 Kg * cm Tx  P * r  150 Kg * 4cm  600 Kg * cm El máximo esfuerzo a tracción en la biela cargada en flexión (véase [3]) está dado por:

 max 

M max y max (1) I

El momento máximo de flexión ocurre en el sitio más alejado de la biela donde la fuerza es aplicada y viene dado por:

M  Pl  2250Kg * cm El valor de y max es 1.05 cm , y podemos encontrar el valor del momento de inercia que posee la sección transversal cuando se intenta hacerla girar alrededor de su eje neutro (eje centroidal perpendicular al eje de simetría) mediante:

I

1 3 1 bh  1.2 (2.1) 3 (2) 12 12

Luego, el máximo esfuerzo en flexión viene dado por:

 max  2753.48 Kg

cm 2

Para hallar el máximo esfuerzo torsor se recurre a la expresión:

t 

T b  *  3  1.8  (3) 2 h h *b 

Siendo b el ancho de la sección transversal de la biela y h su altura. De modo que podemos escribir que:

t 

150 Kg * 4cm  1.2  Kg *  3  1.8   799.32 2 2 2.1  2.1 *1.2 cm 

Ahora, finalmente podemos calcular el esfuerzo cortante provocado por la oposición de las fuerzas en dirección y, Fy y P, mediante la siguiente expresión:

c 

VQ P 150 Kg Kg  1.5  1.5  89.28 2 (4) 2 It A (1.2)2.1cm cm

Estos valores deberán ser considerados en el momento de querer conocer el límite elástico requerido por el material candidato para la fabricación de la biela por fundición (Usando el círculo de Mohr y hallando el esfuerzo principal que se produce, y finalmente, utilizando un factor de seguridad n). Propiedades y solicitación Lo que pretendemos es establecer los criterios que se deben tener en cuenta para satisfacer las propiedades y solicitaciones del elemento en funcionamiento. Limite elástico El cálculo del límite elástico depende de la posición en la que se encuentre la pieza en su trabajo requerido. En un juego de bielas, estas pueden estar sometidas a varios tipos de esfuerzos: Esfuerzos de flexión, esfuerzos axiales de tracción o compresión, esfuerzos cortantes debidos a fuerzas de torsión o a fuerzas cortantes. De los anteriores, los esfuerzos de flexión son los más críticos. Se pueden realizar los respectivos cálculos y se puede hallar el límite elástico mínimo requerido para la biela, o sea el mayor esfuerzo hasta el que la biela desempeñará correctamente su papel sin presentar deformación plástica permanente, para así proceder a la selección de la aleación a utilizar. Este valor no deberá ser sobrevalorado ya que lo que se pretende es trabajar con uno de ellos que sea mínimo y suficiente para garantizar que no ocurra fractura del material de manera temprana, o de lo contrario se acentuaría el problema de los costos por el material. Acabado superficial y Costo Se debe tener en cuenta que el acabado de las piezas de una bicicleta exige una perspectiva estética adecuada con el fin de generar un material competitivo en el mundo comercial. Densidad Por tratarse de un elemento adosado a una maquina en movimiento, entonces requiere un criterio de peso mínimo.

Módulo de elasticidad (E) y de rigidez (G) Se requiere tener una gran rigidez en el elemento para transmitir toda la energía depositada en el pedaleo directamente hacia los sprockets sin desperdiciar una fracción considerable de dicha energía en deformaciones por flexión. Maquinabilidad Practicar maquinado, tanto convencional o no, resulta lento, costoso, con alto desperdicio de material, con un acabado poco deseable y requiere de una gran destreza del operador. Selección del material Se pueden considerar diversos tipos de materiales para la construcción de la biela mediante el proceso de fundición: Aceros, fundiciones ferrosas, aleaciones no ferrosas o fibra de carbono. A continuación haremos una confrontación de las ventajas y desventajas de cada uno de estos materiales, para finalmente dar una conclusión final y presentar el candidato a utilizar para la fabricación de la biela de bicicleta. En la fabricación de bielas de aluminio, la aleación más generalizada es la 7075. También se utilizan otros materiales, pero en menor medida, como el titanio y el acero aleado con cromo y molibdeno. En general las bielas, entre ellas las de aluminio, son macizas para asegurar la máxima rigidez, pero las bielas de acero son tubos huecos, ya que es un material más rígido que el aluminio y de mayor densidad. El aluminio es un material efectivo, según el criterio de costos, al ser usado para la fabricación de bielas, ya que este es fácilmente forjado y fundido. Sin embargo, este presenta algunas desventajas mecánicas, dado que por su baja densidad es susceptible a sufrir daños provocado por los impactos con rocas o asfalto. Además, el aluminio posee una pobre resistencia a la fatiga en comparación con el acero y el titanio, y es difícil de forjar o fundir cuando implica hacer agujeros interiores. Ahora, por su lado la fibra de carbono y afines son muy costosas, sin mencionar su proceso lento de fabricación, su dificultad y la destreza del operador que esta demanda. Por las propiedades mecánicas solicitadas en una biela, mencionadas anteriormente, podemos inferir que el proceso de fundición más apropiado resulta ser moldeo por colada a gravedad (¡no siendo recomendado por arena!), en el que se suele trabajar con aluminio, magnesio y cinc, más no con materiales ferrosos. Por lo anterior, deberían dejarse en segundo plano las aleaciones y fundiciones ferrosas puesto que, como se explicó una vez, fundir este tipo de materiales en molde permanente por gravedad le puede reducir considerablemente su vida útil. Además, el proceso previo resulta ser más económico que el maquinado y obtención de bielas de fibra de carbono, y puede decirse que satisface las solicitaciones promedio, sin necesidad de recurrir a métodos más avanzados como la inyección y el moldeo metálico por vacio, variantes del moldeo metálico por gravedad. Entre varias opciones de materiales no ferrosos y ferrosos se comparan los pesos, costos y módulos de rigidez de tres diferentes tipos de materiales.

Tabla 4. Propiedades de los materiales candidatos. Densidad (Lb/pulg3) Aleacion de aluminio 6063-T6 acero al carbono galvanizado fundicion laton rojo

Propiedades mecanicas de material Modulo elástico*106 (psi) Relacion de Poisson

Esfuerzo de cedencia (ksi)

Costo por barra de 1/8"

0,098

10

0,33

25

$ 7,72

0,284

29

0,29

50

$ 8,99

0,316

15

0,34

70

$ 8,61

De la anterior tabla puede compararse el costo por redondo (última columna), siendo el aluminio el más barato. La densidad también apunta favorablemente hacia el aluminio, el cual es considerablemente mucho más ligero que los otros dos materiales. A pesar de que el modulo de elasticidad E y el esfuerzo de cedencia son más pequeños en el aluminio, sus características son más que necesarias para la aplicación que se quiere llevar a cabo, una biela de bicicleta promedio. Bastante relacionado con los costos, se tiene en cuenta que el acabado de las piezas de una bicicleta exigen una perspectiva estética adecuada con el fin de generar un material competitivo en el mundo comercial. La fundición y el acero pueden dar, fuera de mayor peso, una impresión mas rustica que el aluminio, además dichos materiales deben ser tratados superficialmente, por ejemplo galvanizados. El aluminio presenta una buena apariencia y por sus propiedades anticorrosivas, resulta ser un buen candidato. Del siguiente diagrama de Ashby podemos apreciar que, si nuestro criterio es un peso mínimo y un moderado modulo elástico, las fundiciones no ferrosas, y por ende el aluminio, poseen ambas propiedades en un balance requerido.

Figura 8. Diagrama de Ashby para la selección del material según el criterio de peso mínimo y mayor módulo elástico.

Entonces finalmente concluimos que por economía, por baja densidad, por módulo elástico razonable, por acabado superficial y desgaste a la corrosión, por moderada resistencia a la fatiga y al impacto para la aplicación deseada, por ser fundible en molde permanente y por otras condiciones menos relevantes, se puede considerar apropiada la fabricación de la biela con el método del moldeo metálico por gravedad a partir de una aleación de aluminio. Según la literatura, algunas aleaciones mas recomendadas en la norma AFNOR: Association Française de Normalisation, son: -A-S7GO6-Y33 (moldeo en coquilla por gravedad de una aleación de aluminio con 7% de silicio, 6% de magnesio y con tratamiento de temple y revenido). -A-U5GT-Y34 (moldeo en coquilla por gravedad de una aleación de aluminio con 5% de cobre, y adhesiones de magnesio y titanio en menos de 1% y con tratamiento de temple y envejecimiento). -A-S7GO3-Y33 (moldeo en coquilla por gravedad de una aleación de aluminio con 7% de silicio, 3% de magnesio y con tratamiento de temple y revenido). De las anteriores las que poseen buena aptitud al moldeo son: A-S7GO6-Y33, A-S7GO3-Y33. Estas dos aleaciones presentan la misma aptitud al maquinado y buena resistencia atmosférica. La aleación escogida puede ser A-S7GO6-Y33. (Véase [1], página 27).

Fabricación de la biela y Diseño de la respectiva coquilla La biela es una pieza que puede verse como si tuviese un espesor constante en casi toda su longitud, con una parte mayor de su espesor en uno de sus extremos. La pieza posee dos agujeros, uno de ellos en la parte más gruesa disminuyendo así la masa acumulada, el otro hace que en el extremo en que se encuentra el espesor sea más delgado. Se debe tener en cuenta que esta pieza es perfectamente adaptable a la fundición y no necesita modificaciones de diseño. Para poder predecir la posición de la pieza como tal se debe mirar el orden de solidificación de la biela, para esto la pieza es dividida en formas geométricas y uniones más simples. Los módulos geométricos Como es entendido, tanto para la posición de la pieza dentro de la coquilla, como para el diseño y posición de la mazarota se requiere saber el orden de solidificación de la pieza; para esto es necesario hallar los módulos geométricos de las partes en las cuales se dividió la pieza. Veamos: La parte 1. Esta se considera como un cilindro con dimensiones D = 31mm; d = 14mm; H = 12mm; e = 8.5mm. Realizando los cálculos, los cuales están en una obra técnica para el diseño de bielas con mismas dimensiones “Standard” obtenemos que el modulo M para la parte 1 es: M=2.74mm. La parte 2. Esta se considera como una barra rectangular con dimensiones b = 22mm; e = 12mm; l = 132mm. Realizando los cálculos, los cuales están en una obra técnica para el diseño de bielas con mismas dimensiones “Standard” obtenemos que el modulo M para la parte 2 es: M=3.88mm. La parte 3. Esta se considera como una barra rectangular con dimensiones b = 21mm; e = 29mm; l = 9mm. Realizando los cálculos, los cuales están en una obra técnica para el diseño de

bielas con mismas dimensiones “Standard” obtenemos que el modulo M para la parte 3 es: M=6mm. La parte 4. Esta se considera por simplificación como un cilindro con dimensiones diámetro exterior D = 33mm; diámetro interior d = 17.5mm; H = 29mm. Realizando los cálculos, los cuales están en una obra técnica para el diseño de bielas con mismas dimensiones “Standard” obtenemos que el modulo M para la parte 4 es: M=3.94mm.

Figura 9. Orden de solidificación de biela izquierda. [1] Por lo tanto, orden de solidificación de la biela en estudio (izquierda) es 1, 2, 4, 3. Para un fácil desmolde es recomendable que la pieza sea colocada de tal forma que su longitud siga el plano de junta. Además, se colocara hacia abajo la parte 1 y hacia arriba la parte 3 (ver la figura 9) la cual posee el mayor módulo, buscando garantizar así una solidificación dirigida de abajo hacia arriba y también facilitar la colocación de la mazarota en la parte superior. (Véase [1], página 232). Especificaciones de la coquilla Esta será del tipo más sencillo. Las chapas en forma de bloques tendrán un espesor total, incluida la cavidad del molde, de 30 y 42mm (Según las recomendaciones, el espesor oscila entre 25 y 50mm); además se dejan 30mm por encima y por debajo de la pieza. Debido a que el espesor de la pieza es aproximadamente constante no es necesario hacer rebajes de espesor de ninguna pared. Modelo de la biela: Conociendo el plano de junta de la coquilla y la geometría de la pieza a fabricar, se realiza el modelo de la biela partido convenientemente según el plano de junta. Este modelo servirá para la fabricación del modelo de la coquilla. El modelo de la biela se puede construir en madera, u otro material en el cual sea conveniente realizarlo. Selección del sistema de llenado: Los principales factores que nos permiten definir el tipo de llenado para este tipo de pieza son:

- La pieza tiene un espesor aproximadamente constante, con una corta parte más gruesa. - La pieza requiere un tratamiento térmico posterior. - La forma del canal de descenso debe ser preferentemente rectangular, el orificio del embudo debe ser cuadrado, el canal de descenso va reduciendo progresivamente su sección, entre otras consideraciones. Existen tres tipos de llenado que toman su nombre de acuerdo a la localización de ataque en la cavidad del molde: Colada en fuente, colada lateral y colada en cabeza o caída. La colada en fuente se puede acomodar ya que: -Asegura un llenado del molde con un mínimo de turbulencia y permite que el aire que logre penetrar, sea evacuado fácilmente por el plano de junta y la mazarota. Asegura pues, la obtención de una pieza sana, exenta de óxidos y defectos de fundición, por lo que se le usa con preferencia cuando la pieza requiere un tratamiento térmico posterior. -Esta colada es recomendada para las piezas de espesor aproximadamente constante. -Para la posición de la pieza, seleccionada anteriormente, la colada en fuente hará que el ataque quede localizado sobre una parte delgada de la pieza, lo que es aceptable cuando la pieza no presenta gran diferencia de espesor, como en este caso. Ahora bien, debido a que la pieza posee una sola parte gruesa, puede pensarse también, en colocar el ataque sobre esta parte, adoptándose la colada en caída. Sin embargo, el problema fundamental de esta solución, es que la relativa gran altura de la pieza hace que se aumente mucho el riesgo de que entre gran cantidad de aire y que así se formen burbujas. Por otra parte la colada en caída implicaría un desbarbado sobre uno de los extremos curvados de la biela, lo que haría más engorrosa la operación. (Véase [1], página 145).

Alimentación

Llenado en fuente

Figura 10. Conformación del molde y muestra de la mazarota y la colada en fuente. [1] Mazarota: Para hallar las dimensiones de la mazarota, es necesario conocer el módulo geométrico de la parte mas gruesa de la pieza. La alimentación se coloca en la parte superior, unida a la última parte de la pieza en solidificar, para contrarrestar el efecto conocido como de rechupe. Chapas, clavijas y broches: Un adecuado dimensionamiento de las chapas, broches y clavijas se hace teniendo en cuenta ciertos detalles constructivos, pensando en el desmolde y los ángulos apropiados para su mejor manejo. Materiales para el modelo de la coquilla A partir del conocimiento de las dimensiones de los anteriores elementos se procede a la fabricación del modelo del sistema pieza-canales-broches. Para la construcción del modelo se consideran 3 métodos:

-Construcción en madera. -Construcción en yeso. -Fabricación en Araldit. El de madera exige un operario altamente calificado, es decir tiene un costo alto de fabricación. El de yeso es mucho más fácil de fabricar aparte de que se obtienen altas precisiones dimensionales, pero se corre el riesgo de trabajar con un modelo sumamente frágil. La fabricación del modelo en Araldit, se hace con una técnica relativamente fácil que permite obtener una buena resistencia al desgaste, a la tracción, buena ductilidad y buena precisión dimensional. Cabe aclarar que el Araldit es una resina en estado pastoso, que al ser mezclado con otra sustancia también pastosa llamada endurecedor, se relacionan entre si formando una mezcla homogénea que se solidifica a temperatura ambiente al cabo de un tiempo dado. La mezcla puede ser vaciada o aplicada con brocha, en un molde previamente preparado. Luego de escoger el material para el modelo de la coquilla, se procede a su fabricación. Se colocan entonces los modelos de madera partidos de la pieza, la mazarota y los machos de las clavijas en un arreglo (ver figuras 10 y 11) con el fin de vaciar luego el Araldit, el cual al solidificar sirve de modelo para fabricar el molde en arena y elaborar finalmente el molde metálico con el que fabricaremos la biela; este proceso se hace para las dos chapas como se muestra en las siguientes figuras. (Véase [1], página 269).

Figura 11. Fabricación del modelo en Araldit para obtención del molde metálico final mediante el proceso por arena. [1] Maquinado y puesta a punto de las coquillas Como se enunció antes, los modelos de las coquillas sirven para construir el molde de arena en el cual se vacía fundición gris. Una vez las coquillas han sido fundidas es necesario maquinarlas para pulir las superficies interiores de las chapas (las cuales quedan rugosas después de la fundición), realizar chaflanes de unos 45º sobre las aristas vivas, hacer ranuras adicionales que sirven para abrir los moldes, rectificar los canales de llenado y la mazarota, realizar agujeros donde se alojan los broches, etc.

Sistemas de manipulación de las coquillas En la coquilla correspondiente a la biela izquierda, menos pesada, la chapa móvil se hace desplazar manualmente, jalando una palanca que posee un mango aislado térmicamente. El cierre se logra mediante una prensa en C con tornillo, que se halla fija a una de las chapas. En la coquilla de la biela derecha, mas pesada, el desplazamiento de la chapa móvil y el cierre se logran con un mecanismo a base de palancas articuladas.

Figura 12. Sistema de manipulación de la coquilla para la biela izquierda. [1]

Figura 13. Sistema de manipulación de la coquilla para la biela derecha. [1] Puesta a punto de las coquillas La puesta punto de una coquilla consiste en realizar un cierto numero de actividades encaminadas a obtener las condiciones optimas de colada, las cuales garanticen la obtención de piezas completamente llenas y en perfecto estado, obteniéndose a la vez un mínimo de desechos. Para poner a punto las coquillas, puede ser necesario: -Aumentar o disminuir la temperatura de colada del metal -Ajustar las secciones del canal de llenado -Variar el ritmo de producción -Colocar mazarotas y escapes de aire adicionales -Variar en ciertas partes el espesor de la capa de pintura aislante -Colocar enfriadores o en su defecto quemadores. La puesta apunto de una coquilla, permite definir los valores óptimos de:

-La temperatura de colada del metal -La temperatura de régimen de la coquilla -La temperatura de precalentamiento de la coquilla -El tiempo de producción.

Figura 14. Aspecto final que presentan las piezas. REFERENCIAS [1] Diseño y Construcción de Moldes Permanentes Para la Fabricación de Piezas de Aleación de Aluminio Coladas por Gravedad. Autores: Fabio León Zuluaga Zuleta y Luís Javier Madrid Rivera. [2] ASM Metals Handbook, Volume 15 - Casting “Permanent Mold Casting”. [3] Mecánica de Materiales. Autores: R.C. Hibbeler

CONCLUSIONES 

El moldeo metálico por gravedad, en general, se restringe solo a metales no ferrosos, dado que sus puntos de fusión son mucho menores y más favorables para la vida útil del material de la coquilla.



El moldeo metálico por gravedad garantiza una mayor estabilidad dimensional y brinda unas mejores propiedades mecánicas en relación a las que se consiguen por moldeo en arena, debido a la velocidad de enfriamiento, y a la secuencia de procesos que se llevan a cabo, tales como: recubrimientos, precalentamientos, solidificación dirigida, entre otros.



La producción masiva de fundiciones por el moldeo metálico por gravedad se ve claramente justificada debido a las ventajas que posee el método, tales como la permanente existencia de los canales de llenado y del molde, la relativa facilidad de la puesta a punto de la coquilla y la amortización de los costos debido a un lote suficientemente grande.



La inexistencia de la permeabilidad en moldeo metálico por gravedad supone un adecuado diseño de los canales de evacuación de gases, o de lo contrario se pueden encontrar deficiencias respecto a la sanidad de la pieza de fundición y de la coquilla tales como porosidades, grietas, cavitación y óxidos superficiales e internos que darían propiedades anisotrópicas al material.



El proceso mas adecuado de fabricación para la biela de bicicleta es el moldeo metálico por gravedad. Esto es debido a que las propiedades que debe tener la pieza se satisfacen principalmente mediante este método, tales como: el material en el cual se funde la pieza (no ferrosos), propiedades y solicitaciones mecánicas y estéticas, el volumen de producción, las dimensiones de la pieza, entre otras.



Se deben reconocer básicamente dos solicitaciones principales sobre la biela de bicicleta: Un alto modulo elástico (E) que asegure la rigidez necesaria en la transmisión de potencia para que no se desperdicie energía en deflexión. La otra consiste en utilizar un material de baja densidad, dado que la biela es un elemento en movimiento y debe llevarse solidariamente unida al marco de la bicicleta.



El tipo de molde utilizado para la fabricación de la biela es la coquilla clásica, constituida por dos chapas, y una bisagra, ya que se usa para piezas de dimensiones pequeñas y espesores constantes. Además, el tipo de coquilla garantiza: la rreproducción exacta de la pieza, la resistencia a los empujes ejercidos por la colada y, después de la solidificación de la pieza, permite el desmontaje rápido, sin riesgos de deformación o de ruptura del molde y la pieza.