Guías de diseño para la fundición a presión de aluminio

Diseñar correctamente proyectos de fundición a presión de aluminio presenta numerosos desafíos. Incluso un pequeño detalle de diseño puede tener un impacto significativo en los componentes de fundición; por lo tanto, cada detalle debe diseñarse de acuerdo con los principios rectores.

Aquí enumeramos varias consideraciones importantes en el diseño estructural de la fundición a presión de aluminio, junto con guías de diseño recomendadas para cada factor, con la esperanza de ayudarlo en el diseño de su producto.

I. Selección de materiales

El diseño del producto puede variar significativamente según el material elegido. Cada aleación tiene sus limitaciones. Lograr una integridad y resistencia óptimas en las piezas fundidas a presión de aluminio requiere un diseño y una ejecución cuidadosos.

Dependiendo de los elementos metálicos utilizados con el aluminio, las características de la aleación, como el peso, la fluidez, la resistencia, la conductividad y el punto de fusión, variarán. Sin embargo, no todas las aleaciones son aptas para la fundición a presión.

Las aleaciones de aluminio comunes que se pueden utilizar para la fundición a presión incluyen:

• A380
• A383 (ADC12)
• A413

También disponemos de muchas otras aleaciones de aluminio. La elección correcta depende de sus necesidades específicas y de su presupuesto.

II. Ángulo de inclinación

El ángulo de desmoldeo es uno de los parámetros más importantes en el diseño de fundición a presión de aluminio. Es la conicidad o pendiente que se proporciona a los núcleos y superficies de la pieza, perpendiculares al plano de separación del molde.

Los diseñadores deben proporcionar ángulos de desmoldeo suficientes cuando sea necesario. Sin un ángulo de desmoldeo adecuado, será difícil expulsar la pieza fundida tras la solidificación, lo que podría dañar la pieza o incluso el propio molde.

Al calcular los ángulos de inclinación, tenga en cuenta los siguientes factores:

• La mayoría de las características geométricas suelen adoptar ángulos de inclinación comunes.
• Para paredes y superficies internas, el ángulo de inclinación suele ser el doble del de las paredes externas.
• Los requisitos del ángulo de diseño pueden variar según el material de aleación; el ángulo debe calcularse en función de la aleación de aluminio seleccionada.

Si se desea un ángulo de desmoldeo menor, se pueden utilizar tolerancias de precisión. Sin embargo, estas implican un mecanizado más preciso y mayores costos. Por lo tanto, a menos que sea necesario, se recomienda evitar las tolerancias de precisión.

III. Matrices móviles y fijas

Es crucial considerar el ajuste entre el molde móvil (mitad expulsora) y el molde fijo (mitad de cubierta) durante el diseño. Problemas con cualquiera de los componentes pueden dificultar el aluminio. proceso de fundición a presiónEl diseño del molde móvil suele presentar mayores desafíos, ya que hay más componentes a considerar, mientras que la construcción del molde fijo es relativamente sencilla. Al inyectar material en el molde, el núcleo puede deslizarse debido a la presión del exceso de material, lo que resulta en piezas fundidas sobredimensionadas que requieren atención.

La tolerancia de los componentes móviles del molde es función de la tolerancia lineal y la tolerancia del área proyectada. En este caso, la tolerancia lineal se refiere a la longitud de la corredera del núcleo, mientras que el área proyectada es la parte superior de la corredera del núcleo orientada hacia el material fundido.

El desplazamiento puede ocurrir en una dirección lineal perpendicular al área proyectada. Por lo tanto, idealmente, la tolerancia de los componentes móviles del molde debe mantenerse al mínimo.

Debido a la construcción de los equipos de fundición a presión, solo se pueden lograr tolerancias grandes o positivas durante el procesamiento.

IV. Línea de separación

La línea de separación es el punto donde se unen las dos mitades del molde para formar la estructura completa del producto. Es una característica fundamental del proceso de fundición a presión, y dado que los diseños de productos constan de al menos dos partes, su presencia es inevitable.

La línea de separación es el límite claro entre las partes móviles y fijas del molde. Este límite sirve para distinguirlas. La tolerancia de la línea de separación se refiere a la separación máxima permitida del molde para garantizar la correcta ejecución del proceso de fundición a presión de aluminio.

Cuando la presión del material intenta separar las dos mitades del molde, el material fluye por la separación creada en la línea de separación. Esto se conoce como defecto de rebaba en la fundición a presión. Las piezas fundidas requieren un proceso de recorte adicional para eliminar rebabas, canales, entradas y rebosaderos.

La tolerancia de la línea de separación es una función del área proyectada del molde, que representa la superficie de separación donde el material fundido se mueve de una mitad del molde a otra.

Un molde perfectamente cerrado no presenta separación entre sus dos mitades, por lo que la tolerancia del área proyectada siempre es positiva. El grado de separación del molde depende de la presión en la cavidad del molde y de la fuerza de sujeción empleada para mantener unidas las dos mitades.

Las tolerancias de las líneas de separación pueden variar según la aleación, el tamaño de la pieza y la profundidad. Existen tolerancias estándar y de precisión recomendadas para líneas de separación en fundición a presión; sin embargo, si el área proyectada supera los 300 mm, consulte con su fundidor a presión.

V. Tolerancia de mecanizado

La tolerancia de mecanizado se refiere a la cantidad de materia prima que se puede retirar del producto terminado. piezas de fundición a presión de aluminioLa superficie de una pieza fundida a presión puede presentar cierta rugosidad y desviarse geométricamente del diseño real. Por lo tanto, se requiere un mecanizado secundario después del proceso de fundición a presión para corregir estos errores.

Las mejores propiedades mecánicas y densidad de una pieza fundida suelen encontrarse en o cerca de su superficie. Esto significa que, durante el mecanizado, se debe evitar eliminar demasiado material para no comprometer estas propiedades. Por lo tanto, la tolerancia de mecanizado debe determinarse cuidadosamente para garantizar que no se penetren las secciones de baja densidad. Si se elimina demasiado material, puede provocar defectos en el producto.

Durante la fase de diseño, se deben designar tolerancias de mecanizado específicas para las variables de mecanizado y fundición. Una tolerancia de mecanizado demasiado pequeña puede incumplir los requisitos de calidad superficial y provocar defectos en la pieza. Por el contrario, una tolerancia excesivamente grande aumenta el tiempo de producción, la mano de obra y los costes. Por lo tanto, determinar la tolerancia de mecanizado adecuada es vital. Una comunicación temprana con los proveedores de piezas de fundición puede ayudarle a determinar la tolerancia correcta. Podemos ofrecerle sugerencias basadas en sus necesidades y las características del proceso de fundición.

Generalmente, la tolerancia mínima de mecanizado recomendada es de 0.2 mm para reducir el desgaste de la herramienta y minimizar la porosidad en la pieza fundida. La tolerancia máxima de mecanizado es la suma de este valor mínimo y la deformación de la pieza fundida. Esto significa que también debe considerarse la posible deformación durante el proceso de fundición al determinar la tolerancia.

Sin embargo, las piezas planas y grandes requieren una consideración especial. En tales casos, puede consultar con su fundidor para verificar los valores de tolerancia de mecanizado.

VI. Espesor de la pared

Se debe mantener un espesor de pared uniforme en el diseño del producto. El metal debe fluir uniformemente durante el proceso de fundición para llenar cada parte del molde. Si el espesor de pared es desigual, el flujo del metal puede verse obstaculizado, lo que puede provocar que algunas áreas no se llenen. Además, un espesor de pared uniforme facilita un enfriamiento y una solidificación uniformes, lo que resulta en piezas fundidas de mayor calidad. Por lo tanto, mantener un espesor de pared uniforme puede mejorar significativamente la calidad y la integridad de la fundición.

Si las consideraciones de diseño requieren un cambio en el espesor de la pared, la transición debe ser gradual (mediante la introducción de filetes o radios) en lugar de abrupta. Esto evita que queden bordes afilados en el diseño.

Se deben evitar los bordes afilados en el diseño del producto, ya que afectan la fluidez del metal y dificultan el desmoldeo después de la fundición. Sin embargo, si las paredes se unen en la línea de separación, se pueden mantener los bordes tal como están, ya que pequeños cambios en el espesor de la pared no suelen afectar significativamente la fluidez del metal ni el desmoldeo.

No existe un estándar fijo para el espesor de pared en la fundición a presión de aluminio, pero generalmente se recomienda mantenerlo dentro de un rango razonable. El espesor de pared típico para las piezas de fundición a presión de aluminio se encuentra entre 2.0 mm y 3.5 mm.

Sin embargo, el espesor de la pared también se ve afectado por el tipo de aleación, la configuración y el tamaño de la pieza, así como por la aplicación de la fundición a presión. Por ejemplo, si el tamaño de la pieza fundida a presión es pequeño, el espesor de la pared puede reducirse en consecuencia, llegando incluso a 0.7 mm.

Para componentes de fundición a presión de aluminio demasiado pequeños o demasiado grandes, pueden existir circunstancias o requisitos especiales en los que el espesor de pared supere los límites habituales. Si tiene dificultades con el espesor de pared, puede consultar con su proveedor de fundición a presión.

Las paredes más gruesas pueden aumentar la rigidez de la pieza. Sin embargo, si son demasiado pesadas, el tiempo de enfriamiento se prolongará, lo que dificultará el proceso de solidificación. Esto puede provocar una mala calidad de la fundición a menos que se tomen las medidas adecuadas.

Las paredes gruesas también añaden peso al producto. Por ello, los diseñadores que se centran en piezas más ligeras prefieren paredes delgadas. Sin embargo, si las paredes son demasiado delgadas, superando cierto límite, la rigidez será demasiado baja y la pieza se deformará fácilmente durante el procesamiento posterior.

Los problemas de deformación pueden solucionarse mediante el mecanizado paso a paso. Sin embargo, las paredes delgadas de las piezas fundidas carecen de rigidez y resistencia. La incorporación de nervaduras de refuerzo puede mejorar significativamente la rigidez de las paredes delgadas, haciéndolas más estables.

La tecnología moderna de fundición a presión es lo suficientemente avanzada como para gestionar la mayoría de los parámetros de diseño críticos. Sin embargo, aún es necesario considerar el espesor de la pared si este afecta el rendimiento o el costo de la pieza.

VII. Diseño ligero

El diseño de nervaduras y ranuras son dos características comunes del diseño ligero. Estas características pueden reducir significativamente la cantidad de material necesario para la producción sin comprometer la integridad ni la resistencia del componente.

El diseño de nervaduras generalmente implica el diseño de espacios huecos dentro de ellas para reducir el consumo de material y, por lo tanto, aligerar la pieza. Las secciones entre las nervaduras suelen ser poco útiles y pueden eliminarse del diseño sin problemas.

Al diseñar nervaduras para piezas fundidas a presión de aluminio, tenga en cuenta los siguientes puntos:

• Evite los bordes afilados en las costillas: Los bordes afilados pueden causar concentración de tensiones y aumentar el riesgo de fractura. Se recomiendan filetes o radios, y estos deben ser lo más grandes posible. Considere un radio mínimo de 1.524 mm (0.06 pulgadas).
• Mantenga un espesor de pared uniforme alrededor de las nervaduras: Esto garantiza la resistencia y durabilidad de las nervaduras en todas las secciones. Procure mantener este espesor cerca de los valores recomendados.
• Proporcionar el mayor ángulo de inclinación posible.

El diseño de huecos es otra técnica para reducir el peso del material. Al no ser necesario rellenarlos, se reduce la cantidad de material necesario. Sin embargo, a veces los huecos pueden provocar una contracción irregular. Por lo tanto, los diseñadores deben decidir cuidadosamente dónde utilizarlos.

Para mejorar la resistencia estructural de un hueco, se pueden añadir nervaduras a su alrededor. Estas nervaduras aumentan la rigidez del hueco y facilitan el flujo del metal durante la fabricación. Además, al reducir el uso de metal, se aumenta la velocidad de enfriamiento, lo que acelera todo el ciclo de producción.

La siguiente figura demuestra el efecto de los huecos con y sin nervaduras en una pieza.

VIII. Costillas

Las nervaduras se incorporan en los diseños para aumentar la rigidez y la resistencia de las piezas fundidas a presión de aluminio. Por lo tanto, contribuyen a la producción de piezas fundidas de alta calidad. Se suelen utilizar junto con las zonas más débiles (como las paredes delgadas) para dotarlas de mayor resistencia.

Las nervaduras suelen proporcionar mayor resistencia que las secciones sólidas más gruesas, ya que estas últimas tienden a presentar mayor porosidad, lo que reduce su capacidad de carga estructural. Sin embargo, el uso excesivo de nervaduras puede provocar la concentración de tensiones en sus bordes.

Las costillas suelen diseñarse con secciones huecas, conocidas como diseños de rebaje para ahorro de metal. Estos métodos reducen el uso de material en las costillas y el peso de la pieza.

Las tablas a continuación muestran las dimensiones de costillas recomendadas para escenarios y situaciones comunes en las que no se deben utilizar costillas.

IX. Diseño de agujeros y espaciamiento de bordes

En piezas de fundición a presión de aluminio, si un orificio se ubica demasiado cerca de un borde, se crea un punto débil. Para evitar una concentración excesiva de tensiones en esa zona, se debe garantizar una holgura mínima entre el orificio y el borde. Por lo tanto, se debe determinar una separación adecuada entre el orificio y el borde en función del diámetro del orificio. De igual manera, se debe mantener una distancia neta mínima entre dos orificios adyacentes. Por lo tanto, se deben considerar simultáneamente tanto los diámetros de los orificios como sus áreas de concentración de tensiones.

Es necesario mantener una separación suficiente para evitar la creación de secciones débiles. Si la separación entre un agujero y un borde es insuficiente, también puede considerar un mecanizado secundario del agujero.

X. Agujeros y ranuras

En cuanto a la dificultad del diseño, los agujeros y las ranuras suelen ser la menor de las preocupaciones. Sin embargo, incluso la fundición a presión de aluminio más sencilla requiere un diseño minucioso. Es fundamental garantizar la viabilidad de la fabricación durante el diseño.

Las aplicaciones más comunes para orificios y ranuras son las carcasas de diversos equipos electrónicos, como computadoras portátiles y calculadoras. Estos dispositivos requieren muchos orificios, lo que puede causar problemas de flujo de metal.

• Los agujeros y ranuras también pueden dificultar el desmoldeo. A medida que la pieza se solidifica y se contrae, la pieza fundida puede adherirse al molde. Al diseñar agujeros y ranuras, puede seguir estas sugerencias para solucionar estos problemas:
• Proporcione ángulos de desmoldeo suficientes: Al calcular el desmoldeo, se observará que los orificios y las ranuras requieren mayor desmoldeo que cualquier otra pieza. Esto se debe a que el perímetro interior de un orificio o una ranura es una superficie plana y cerrada.
• Utilice funciones tipo puente: para evitar problemas de flujo de metal, puede utilizar funciones tipo puente para garantizar un flujo de metal continuo entre los orificios y las ranuras.
• Reemplazar las ranuras grandes por orificios pequeños: Si el diseño lo permite, las ranuras grandes deben reemplazarse por una serie de orificios pequeños. Las ranuras largas pueden interrumpir el flujo del metal y comprometer la integridad de la pieza fundida.

XI. Hilo

Al hablar de formación de roscas, nos referimos principalmente a roscas externas fundidas. Si bien es teóricamente posible fundir roscas internas, estas son poco populares debido a su complejidad y costo de fabricación.

Las roscas externas se pueden fabricar con equipos estándar de fundición a presión de aluminio, siempre que estén correctamente alineadas con la línea de separación, o mediante un mecanismo de deslizamiento simple. Las roscas internas requieren un mecanismo para girar un núcleo dentro del molde. Esto incrementa los costos tanto del molde como de la pieza. Para agilizar la producción y optimizar la rentabilidad, las roscas internas suelen crearse mediante mecanizado secundario, como el roscado. Esto también elimina la necesidad de retirar virutas del orificio.

Los equipos de fundición a presión de aluminio permiten formar roscas fácilmente. Las roscas fundidas suelen limitarse a roscas externas donde no se requieren ajustes de precisión.

Si su pieza debe cumplir con requisitos de ajuste de precisión, consulte con su planta de fundición a presión. Podría requerirse un mecanizado secundario para lograr una mayor precisión. Además, los diámetros principales deben ajustarse a las definiciones de forma de rosca acordadas por ambas partes.

A continuación se muestran las dimensiones límite para roscas fundidas a presión:

Al crear hilos, tenga en cuenta lo siguiente:

• Es posible que se necesiten operaciones de corte adicionales para eliminar el rebaba formado entre los hilos.
• Siempre que sea posible, intente aplicar tolerancias directas en lugar de especificar tipos de rosca. Estos valores incluyen tolerancias para componentes móviles de la matriz, líneas de separación y dimensiones lineales.
• Cuando se requieren tolerancias de rosca más estrictas, consulte con la planta de fundición a presión.
• Mantener la rosca plana en la línea de separación puede simplificar enormemente el proceso de fabricación. Una rosca de diámetro completo no es estrictamente necesaria. Mantenerla plana permite ligeros desplazamientos del molde sin afectar al componente.

El siguiente diagrama muestra la configuración recomendada para subprocesos externos.

XII. Inserciones

Un inserto es una pieza de material sólido que se coloca en el molde y se integra en la pieza fundida a presión de aluminio. Se utilizan cuando la aleación seleccionada no cumple con los requisitos y el diseño requiere la integración de componentes de otros materiales en la pieza fundida a presión.

Existen sistemas especializados para insertos en la fundición a presión de aluminio. El inserto se coloca dentro de la cavidad del molde y el aluminio fundido fluye a su alrededor para completar la fundición.

Es posible que necesite incluir insertos roscados en su diseño cuando:

• Los puntos de apoyo son propensos al desgaste.
• Las roscas están sujetas a un desgaste excesivo debido al desmontaje e instalación frecuentes de sujetadores.
• Se necesitan hilos con mayor resistencia a la tracción para soportar cargas concentradas.

La fundición a presión de insertos es más costosa que la fundición normal y la complejidad de colocar los insertos afecta los costos de producción.

Sugerencias para inserciones:

• Defina claramente todas las especificaciones técnicas necesarias con el fabricante de la pieza de fundición a presión. Debido a las holguras del molde, los insertos suelen requerir tolerancias más estrictas. Solicite la aprobación del fabricante para garantizar que las tolerancias de los insertos sean suficientes.
• Si el cliente proporciona los insertos, consulte con el fabricante para asegurarse de que se encuentren dentro del rango de tolerancia recomendado. Los insertos con tolerancias incorrectas pueden dañar gravemente el molde.
• Analice las tensiones causadas por el inserto para garantizar que no afecten el rendimiento del producto a largo plazo.
• Dar forma al inserto según sea necesario para garantizar que proporcione suficiente anclaje para las condiciones de carga previstas, garantizando así la seguridad y estabilidad estructural.
• Evite ángulos agudos y otras características que puedan provocar concentración de tensión en la pieza.

XIII. Diseño de ranuras y surcos

Una ranura es un orificio largo que puede tener extremos redondeados o no. Se encuentra principalmente en piezas planas y rectangulares de aluminio. Su longitud suele ser limitada. Una ranura siempre es pasante, lo que significa que penetra completamente la pieza. Dependiendo de su longitud y forma, las ranuras pueden ser de doble cara, de longitud limitada, de una sola cara o semicirculares.

Las ranuras pueden tener diversas formas y tamaños, como ranuras en T, ranuras de cola de milano, ranuras rectangulares, ranuras de fondo plano, ranuras en V y ranuras de arco circular. Generalmente se cortan a lo largo de los bordes y se utilizan para montar componentes de otros materiales.

En el diseño, las ranuras y hendiduras sirven como elementos de sujeción para otros componentes o proporcionan aberturas para que pasen piezas como interruptores y palancas.

Consejos para diseñar ranuras y surcos:

• Recuerde que pueden pinzarse o atravesar otros componentes.
• Evite colocar muescas demasiado juntas, ya que pueden comprometer la integridad de la pieza y causar problemas de producción.
• No deje bordes afilados en las ranuras rectangulares o de fondo plano. Redondee todos los bordes internos y externos lo máximo posible para minimizar los costos de enchapado y posibles defectos. Por la misma razón, los bordes de las ranuras en V también deben redondearse.

XIV. Bordes afilados

Los bordes afilados son indeseables en el diseño de fundición a presión de aluminio. Crean puntos calientes en la pieza fundida donde se concentra la tensión debido a la contracción de solidificación. Esto hace que las esquinas sean propensas a defectos. Además, el recubrimiento de los bordes afilados es difícil.

En consecuencia, los diseñadores tienden a redondear todas las esquinas agudas, incluso con un radio mínimo. Aplique filetes, radios o chaflanes A todos los ángulos afilados internos y externos.

Otro problema con los bordes afilados internos es que incrementan significativamente los costos del molde. Los costos de mecanizado son elevados y aumentan drásticamente con requisitos de mayor precisión.

Se puede lograr un filo perfecto y afilado en los bordes externos, pero es casi imposible en los internos. Incluso con las herramientas más precisas, los bordes internos siempre tendrán un radio mínimo.

Puede aplicar bordes afilados con seguridad a lo largo de la línea de separación para asegurar que las dos mitades del molde se cierren perfectamente. De lo contrario, intente minimizar los bordes afilados.

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