ES2270102T3 - Molde y procedimiento de moldeo de piezas de fundicion, en particular de bloques de motor, de aleacion ligera. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de colada de una pieza de aleación metálica tal como una aleación de aluminio, y muy particularmente de colada de un bloque de motor de un motor de combustión interna con cilindros, caracterizado porque comprende las etapas siguientes: - formar un noyo (N) que posee por lo menos un cuerpo (FC) destinado a formar en la pieza un cilindro y por lo menos una cavidad destinada a formar en la pieza una zona de apoyo y/o de retención para un órgano de trabajo tal como un cigüeñal (PV), y por lo menos un enfriador (RE) en la proximidad inmediata de la cavidad, - posicionar el noyo en una cavidad de molde metálico (C), y - alimentar el molde provisto de su noyo con aleación líquida por gravedad.
Description
Molde y procedimiento de molde de piezas de
fundición, en particular de bloques de motor, de aleación
ligera.
La presente invención se refiere de manera
general a la colada de piezas de fundición de aleación ligera,
principalmente a base de aluminio.
Se conocen diversas técnicas de fundición,
esencialmente por la parte alta del molde en modo gravedad y por la
parte baja del molde en modo baja presión. Se conocen también
diversos tipos de moldes, principalmente los moldes de arena y los
moldes metálicos.
La utilización de la colada en molde metálico
por gravedad presenta interés para la producción de piezas de
fundición tales como unos bloques de motor de aleación de aluminio
para unos motores de combustión de vehículos automóviles u otros.
En particular, dicho procedimiento está adaptado a una demanda de
pequeñas y medianas series, puesto que es muy modular y permite
minimizar el consumo de arena químicamente ligada gracias a la
utilización de paredes de molde de metal.
El documento DE 19941316A1 se refiere a un
procedimiento de colada en los moldes de arena en verde de bloques
de motor con un enfriador en la proximidad inmediata de la cavidad
para mejorar las características mecánicas en las regiones de los
cojinetes del cigüeñal.
Comparada con la técnica de colada en unos
moldes de arena en verde, la técnica de la colada por gravedad en
molde metálico presenta la ventaja de un coste de inversión
progresivo, adaptado y ajustable a las necesidades reales de la
producción.
Sin embargo el procedimiento de colada de
bloques de motor por gravedad en molde metálico, tal como es
convencionalmente practicado, no permite obtener simultáneamente y
de forma robusta una alta calidad metalúrgica en unas regiones de
la pieza tales como los cojinetes del cigüeñal (regiones que son las
más sensibles desde el punto de vista de la resistencia a la
fatiga) y un control dimensional adecuado de las formas interiores
unas con respecto a las otras.
En efecto, si se busca favorecer uno de estos
objetivos, es necesariamente en detrimento del otro.
Por ejemplo, y ahora con referencia a la figura
1 de los planos, si se realiza la colada de un bloque de motor en V
por gravedad, con los cojinetes del cigüeñal PV en la parte
superior, se encuentra en una situación particularmente favorable
para el control dimensional de los cilindros, en particular cuando
se quiere sobremoldear unas camisas insertadas en la colada.
En efecto, la base del molde permite colocar
todos los dispositivos de guiado de las espigas metálicas que
formarán los cilindros directamente en contacto con la aleación
solidificada, o también unas espigas metálicas que servirán de
soporte a las camisas CH dispuestas sobre estas espigas de cilindros
y a su vez sobremoldeadas por la aleación líquida.
De la misma manera esta base del molde puede
servir de soporte muy práctico para el posicionado de noyos
interiores tales como los destinados a formar las circulaciones de
agua.
Sin embargo, se observará que estas ventajas de
la colada del bloque con los cojinetes del cigüeñal hacia arriba
son atemperadas por el hecho de que, estando los cojinetes del
cigüeñal bajo las mazarotas MA, presenten una calidad metalúrgica
(en particular en términos de microporosidad), unas características
mecánicas y un comportamiento a la fatiga significativamente
reducidos con respecto a los que podrían ser obtenidos con un
enfriado más rápido de la aleación.
Si, por el contrario, se cuela el bloque motor
con el molde posicionado en el otro sentido (es decir con los
cojinetes del cigüeñal hacia abajo) con el fin de favorecer la
obtención de microestructuras y de propiedades mejoradas en estas
zonas críticas en términos de fatiga, se topa con otras dificultades
si se recurre a la colada por gravedad convencional.
En efecto, y ahora con referencia a la figura 2
en la que se ha representado el molde esquemáticamente en sección,
sería preciso entonces prever y posicionar un sistema de espigas
metálicas que permitan asegurar el desmoldeo según las dos
direcciones D y D' ilustradas en la figura 2, o también un sistema
de espigas portacamisas, cuya integración necesaria con un sistema
de mazarotas sería extremadamente difícil de realizar.
Es por lo que dicha aproximación no es
prácticamente utilizada.
La presente invención tiene por objetivo evitar
estas limitaciones del estado de la técnica conocida, y proponer un
procedimiento de colada mejorado que permita por una parte alcanzar
los objetivos de optimización de las características mecánicas, en
particular de fatiga, en unas regiones tales como unos cojinetes de
cigüeñal de un bloque de motor, y por otra parte alcanzar también
los objetivos de control dimensional de los cilindros
correspondientes, en particular cuando estos cojinetes comprenden
unas camisas insertadas en la colada.
La invención propone a este fin, según un primer
aspecto, un procedimiento de colada de una pieza de aleación
metálica tal como una aleación de aluminio, y muy particularmente de
colada de un bloque de motor de un motor de combustión interna con
cilindros, caracterizado porque comprende las etapas siguientes:
- -
- formar un noyo que posee por lo menos un cuerpo destinado a formar en la pieza un cilindro y por lo menos una cavidad destinada a formar en la pieza una zona de apoyo y/o de retención para un órgano de trabajo tal como un cigüeñal, y por lo menos un enfriador en la proximidad inmediata de la cavi- dad,
- -
- posicionar el noyo en una cavidad de molde metálico, y
- -
- alimentar el molde provisto de su noyo con aleación líquida por gravedad.
Algunos aspectos preferidos, pero no
limitativos, del procedimiento sobre la invención son los
siguientes:
- -
- el noyo está formado por ensamblaje rígido de un conjunto de porciones de noyo,
- -
- el posicionado del noyo se realiza posicionando las porciones individuales en el molde en unas posiciones de referencia respectivas con respecto al molde, y después solidarizando las porciones entre si,
- -
- la solidarización de las porciones entre si se realiza fijando una o varias banquetas sobre las porciones,
- -
- la solidarización de las porciones comprende una puesta en apoyo de las porciones entre si a nivel de superficies de apoyo,
- -
- las superficies de apoyo están previstas a nivel de enfriadores que pertenecen a las porciones respectivas,
- -
- el o cada enfriador es integrado al noyo en el curso de la formación de dicho noyo,
- -
- el o cada enfriador es aplicado en el noyo después de la formación de dicho noyo,
- -
- la o cada cavidad está definida por lo menos parcialmente por un enfriador,
- -
- el o cada enfriador previsto en el noyo está situado en una región del noyo opuesta a una región de mazarotas del molde,
- -
- el enfriador o por lo menos un enfriador está apoyado sobre una suela del molde.
Según un segundo aspecto, la presente invención
propone un molde para la colada de una pieza en aleación metálica
tal como una aleación de aluminio, y muy particularmente la colada
de un bloque de motor de un motor de combustión interna con
cilindros, caracterizado porque comprende:
- -
- una envolvente metálica que define una cavidad de molde,
- -
- un noyo que posee por lo menos un cuerpo destinado a formar en la pieza un cilindro y por lo menos una cavidad destinada a formar en la pieza una zona de apoyo y/o de retención para un órgano de trabajo tal como un cigüeñal, y por lo menos un enfriador en la proximidad inmediata de la cavidad,
- -
- unos medios de posicionado del noyo en la cavidad del molde, y
- -
- un conjunto de mazarotas en una región superior del molde para su alimentación con aleación líquida por gravedad.
Algunos aspectos preferidos, pero no
limitativos, del molde definido anteriormente son los
siguientes:
- -
- el noyo comprende un ensamblaje rígido de un conjunto de porciones de noyo,
- -
- los medios de posicionado del noyo son aptos para posicionar las porciones individuales en el molde en unas posiciones de referencia respectivas con respecto al molde, y están previstos unos medios de solidarización de las porciones entre si,
- -
- el noyo comprende una o varias banquetas fijadas sobre las porciones y aptas para solidarizar las porciones entre si,
- -
- las porciones de noyo comprenden unas superficies de apoyo mutuo de las porciones,
- -
- las superficies de apoyo están previstas a nivel de enfriadores que pertenecen a las porciones respectivas,
- -
- el o cada enfriador es integrado al noyo en el curso de la formación de dicho noyo,
- -
- el o cada enfriador es aplicado en el noyo después de la formación de dicho noyo,
- -
- la o cada cavidad está definida por lo menos parcialmente por un enfriador,
- -
- el o cada enfriador previsto en el noyo está situado en una región del noyo opuesta a una región de mazarotas del molde,
- -
- el enfriador o por lo menos un enfriador está apoyado sobre una suela del molde,
- -
- la envolvente del molde está desprovista de circuitos de enfriado.
Otros aspectos, objetos y ventajas de la
presente invención aparecerán mejor con la lectura de la descripción
detallada siguiente de una forma de realización preferida de esta,
dada a título de ejemplo no limitativo y con referencia a los planos
anexos, en los cuales, además de las figuras 1 y 2 ya descritas:
Las figuras 3a y 3b son vistas esquemáticas en
perspectiva de dos posibilidades de realización de un paquete de
noyos utilizable en un procedimiento según la invención,
la figura 4 es una vista esquemática en
perspectiva parcial de una suela y de un enfriador que pertenece a
un molde según la invención,
la figura 5 es una vista en sección transversal
de un molde según la invención,
la figura 6 ilustra en sección transversal una
etapa de posicionado de un paquete de noyos en el molde, y
la figura 7 ilustra en sección transversal una
etapa de fijación de una banqueta sobre el paquete de noyos.
Con referencia en primer lugar a la figura 3a,
se ha representado un paquete de noyos central destinado a
participar en la colada de un bloque de motor en V de motor de
combustión, comprendiendo este bloque motor unas camisas CH y unos
enfriadores RE integrados cuando tiene lugar el disparo del
noyo.
Más precisamente, este paquete comprende en el
extremo destinado a formar el cigüeñal un sistema de enfriado
constituido por unos volúmenes de acero, de fundición, o de
cualquier otro metal o aleación apropiada, que forman unos
enfriadores RE. Estos enfriadores están dispuestos en las cajas de
noyos utilizadas para formar los diferentes paquetes de noyos (en
general un paquete por par de cilindros).
En la figura 3a, se ha representado un enfriador
RE, así como dos camisas CH de cilindros, siendo el noyo N disparado
alrededor del enfriador y en el interior de las camisas.
El enfriador está aquí provisto de un orificio
central T que permite pasar en el conjunto de enfriadores alineados
un vástago fileteado o análogo que facilita el apriete y la
rigidización del paquete de noyos central así como su extracción
después de la colada.
La figura 3b ilustra una variante de realización
del sistema de noyos, en el cual se practica en el paquete de noyos
un vaciado E destinado a recibir, después de la formación de los
noyos, un sistema de enfriador(es) metálico(s)
previsto a nivel de la suela del molde (no representado en la figura
3).
Con referencia ahora a la figura 4, se ha
representado parcialmente un paquete de noyos realizado de acuerdo
con la figura 3b, así como la suela SE del molde que comprende un
enfriador único RE alojado en los vaciados alineados de las
porciones de noyo. Se pueden también prever varios enfriadores
apoyados unos contra los otros. En la figura 4, los vaciados P
formados en el enfriador RE constituyen los espacios destinados a
formar los cojinetes del cigüeñal.
Se observará aquí que, ventajosamente, las
superficies enfriadoras están ideadas para maximizar la superficie
de contacto vertical generalmente semicircular con los cojinetes,
esto de manera que aceleren en la medida de lo posible el enfriado
de la aleación líquida en las regiones P que formarán los cojinetes,
y obtener así unas características mecánicas óptimas a nivel de
estos.
En particular, la distancia L ilustrada en la
figura 4 es preferentemente superior a 15 mm.
El molde comprende por otra parte un sistema de
mazarotas situado en la parte opuesta del sistema de enfriado antes
descrito, estando las mazarotas formadas típicamente por unos noyos
de arena. La aleación líquida alimenta el molde por basculación a
través de las mazarotas, de manera que se obtenga naturalmente un
gradiente térmico favorable para la solidificación, con la
temperatura más elevada a nivel de las mazarotas y la temperatura
más baja en la región opuesta.
La figura 5 ilustra a este respecto la
estructura de conjunto del molde y de la pieza colada.
El molde comprende su suela SE, dos bridas C
móviles en las direcciones indicadas por las flechas Fc en la figura
5, unas correderas móviles verticalmente (no representadas), un
cucharón relé LR unido a una de las bridas C, un paquete
de noyos central PNC, unos noyos de mazarotas M1, M2, M3, y en caso necesario unos noyos suplementarios SU.
de noyos central PNC, unos noyos de mazarotas M1, M2, M3, y en caso necesario unos noyos suplementarios SU.
El conjunto puede vascular alrededor de un eje
horizontal A de manera que se efectúe un llenado por basculación,
calmado, a partir del cucharón relé LR.
Se han representado también en la figura 5 unas
banquetas B, las camisas CH en las cuales están formados los cuerpos
de cilindros FC del paquete de noyos, sobre los cuales son pegadas o
fijadas de otro modo las banquetas B, y unos noyos E para pasos de
circulación de agua. Las zonas de cojinetes de cigüeñal están
designadas por PV, mientras que la referencia AR designa la
superficie de apoyo entre unas porciones adyacentes del noyo, a
nivel del enfriador RE. Este apoyo entre las porciones se realiza
también a nivel de las banquetas B.
A fin de cuentas, el noyo central en su conjunto
está constituido por ensamblaje de las diferentes porciones de
noyo, apoyadas unas contra las otras a nivel de las superficies de
apoyo AR, y por la fijación, por pegado, atornillado u otro, de las
banquetas B sobre las cuales los noyos E para pasos de agua habrán
sido previamente fijados.
Gracias a dicho ensamblaje, se obtiene un
sistema de noyo central de una rigidez muy buena, con en
consecuencia buenas características dimensionales de las formas en
el interior del bloque de motor.
Este sistema de noyo forma también una
estructura "jaula" cerrada por las banquetas B y las zonas de
apoyo AR.
Se describirá ahora con referencia a la figura 6
la forma de asegurar un buen posicionado de la estructura de noyo
tal como la descrita anteriormente. Se han representado así en esta
figura dos soportes laterales V y V' que permiten en primer lugar
alinear las camisas CH unas con respecto a las otras de una porción
de noyo a la otra, mientras estas porciones no han sido aún
solidarizadas entre si. Después de haber realizado este posicionado,
se realiza la inmovilización en esta posición de referencia con la
ayuda de cualquier medio adecuado a nivel de las superficies de
apoyo AR de las diferentes porciones. Los soportes laterales V, V'
son a continuación escamoteados hacia abajo para liberar las
porciones. El ensamblaje es acabado como se ha ilustrado en la
figura 7, posicionando las banquetas B y fijándolas sobre los
cuerpos FC, mientras que la base del paquete de noyos es pegada o
fijada a un apoyo de referencia APP a nivel de la suela SE del
molde.
Ejemplo
Un bloque de motor del tipo V8 de una cilindrada
de 5,7 litros es colado con una aleación de aluminio de composición:
Fe (0,35%) Si (7,3%) Cu (3,3%) Zn (0,20%) Mg (0,30%) Mn (0,14%),
siendo el resto aluminio, a una temperatura de 735ºC, según el
procedimiento de colada por gravedad clásico.
El molde ha sido previamente posicionado con los
cojinetes del cigüeñal hacia arriba, bajo las mazarotas, como se ha
descrito con referencia a la figura 2 (técnica anterior).
El noyo posee unas camisas de función
mecanizadas en su superficie interior y exterior. El conjunto del
molde es metálico, y las camisas están soportadas por unos cuerpos
escamoteables a través de la suela.
El bloque después de la colada es enfriado por
aire pulsado y vaciado mecánicamente, después sometido a un
tratamiento térmico conocido, durante 5 horas a una temperatura de
210ºC (tratamiento conocido por el experto en la materia bajo la
designación "T5").
Se obtienen a nivel de los cojinetes del
cigüeñal, para una población representativa, las características
mecánicas indicadas en la tabla I siguiente.
| Rm (MPa) | Rpo2 (MPa) | A (%) | HB | |
| Mediana | 243 | 226 | 0,4 | 101 |
| Diferencia-tipo | 5,5 | 5,6 | 0,05 | 2,0 |
un bloque de motor de la misma geometría
realizado con la misma aleación y a la misma temperatura, con el
procedimiento según la invención, con una configuración de enfriado
de la aleación a nivel de los cojinetes tal como ha sido descrita
con referencia a la figura 3b.
Las camisas son idénticas a las del ejemplo
según la técnica anterior.
Después del enfriado con aire pulsado, se ha
realizado el mismo tratamiento térmico (5 h a 210ºC).
La tabla II siguiente da las propiedades
mecánicas obtenidas en este caso sobre una población
representativa.
| Rm (MPa) | Rpo2 (MPa) | A (%) | HB | |
| Mediana | 291 | 222 | 2,0 | 116 |
| Diferencia-tipo | 4,5 | 5,0 | 0,06 | 2,0 |
La comparación de las tablas I y II permite
apreciar la mejora de las propiedades mecánicas, medidas en los dos
casos a nivel de los cojinetes, y en el mismo punto en estos
cojinetes.
Se observa en particular un incremento de la
resistencia mecánica Rm del orden del 20%, y una multiplicación por
cinco del alargamiento.
Además, el procedimiento según la invención
aporta una diferencia tipo en términos de posicionado de las camisas
con respecto a la referencia del bloque igual a 0,22 mm (diferencia
tipo mediada para el conjunto de los cuerpos), sensiblemente
inferior a la diferencia tipo de 0,25 mm obtenida con el
procedimiento de la técnica anterior.
Desde luego, el experto en la materia sabrá
aportar a la invención numerosas variantes y modificaciones.
Claims (23)
-
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1. Procedimiento de colada de una pieza de aleación metálica tal como una aleación de aluminio, y muy particularmente de colada de un bloque de motor de un motor de combustión interna con cilindros, caracterizado porque comprende las etapas siguientes:- -
- formar un noyo (N) que posee por lo menos un cuerpo (FC) destinado a formar en la pieza un cilindro y por lo menos una cavidad destinada a formar en la pieza una zona de apoyo y/o de retención para un órgano de trabajo tal como un cigüeñal (PV), y por lo menos un enfriador (RE) en la proximidad inmediata de la cavidad,
- -
- posicionar el noyo en una cavidad de molde metálico (C), y
- -
- alimentar el molde provisto de su noyo con aleación líquida por gravedad.
- 2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el noyo está formado por ensamblaje rígido de un conjunto de porciones de noyo.
- 3. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque el posicionado del noyo se realiza posicionando las porciones individuales en el molde en unas posiciones de referencia respectivas con respecto al molde, y después solidarizando las porciones entre si.
- 4. Procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado porque la solidarización de las porciones entre si se realiza fijando una o varias banquetas (B) sobre las porciones.
- 5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 3 y 4, caracterizado porque la solidarización de las porciones comprende una puesta en apoyo de las porciones entre si a nivel de superficies de apoyo.
- 6. Procedimiento según la reivindicación 5, caracterizado porque las superficies de apoyo están previstas a nivel de enfriadores que pertenecen a las porciones respectivas.
- 7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el o cada enfriador es integrado al noyo en el curso de la formación de dicho noyo.
- 8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el o cada enfriador es aplicado al noyo después de la formación de dicho noyo.
- 9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque la o cada cavidad está definida por lo menos parcialmente por un enfriador.
- 10. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque el o cada enfriador previsto en el noyo está situado en una región del noyo opuesta a una región de mazarotas (M) del molde.
- 11. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque el enfriador o por lo menos un enfriador está apoyado sobre una suela (SE) del molde.
- 12. Molde para la colada de una pieza de aleación metálica tal como una aleación de aluminio, y muy particularmente la colada de un bloque de motor de un motor de combustión interna con cilindros, caracterizado porque comprende:
- -
- una envolvente metálica (C) que define una cavidad de molde,
- -
- un noyo (N) que posee por lo menos un cuerpo (FC) destinado a formar en la pieza un cilindro y por lo menos una cavidad destinada a formar en la pieza una zona de apoyo y/o de retención para un órgano de trabajo tal como un cigüeñal (PV), y por lo menos un enfriador (RE) en la proximidad inmediata de la cavidad,
- -
- unos medios de posicionado del noyo en la cavidad de molde, y
- -
- un juego de mazarotas (M) en una región superior del molde para su alimentación con aleación líquida por gravedad.
- 13. Molde según la reivindicación 12, caracterizado porque el noyo comprende un ensamblaje rígido de un conjunto de porciones de noyo.
- 14. Molde según la reivindicación 13, caracterizado porque los medios de posicionado del noyo son aptos para posicionar las porciones individuales en el molde en unas posiciones de referencia respectivas con respecto al molde, y porque están previstos unos medios de solidarización de las porciones entre si.
- 15. Molde según la reivindicación 14, caracterizado porque el noyo comprende una o varias banquetas (B) fijadas sobre las porciones y aptas para solidarizar las porciones entre si.
- 16. Molde según una de las reivindicaciones 14 y 15, caracterizado porque las porciones de noyo comprenden unas superficies de apoyo mutuo de las porciones.
- 17. Molde según la reivindicación 16, caracterizado porque las superficies de apoyo están previstas a nivel de enfriadores que pertenecen a las porciones respectivas.
- 18. Molde según una de las reivindicaciones 12 a 17, caracterizado porque el o cada enfriador es integrado al noyo en el curso de la formación de dicho noyo.
- 19. Molde según una de las reivindicaciones 12 a 17, caracterizado porque el o cada enfriador es aplicado al noyo después de la formación de dicho noyo.
- 20. Procedimiento según una de las reivindicaciones 12 a 19, caracterizado porque la o cada cavidad está definida por lo menos parcialmente por un enfriador.
- 21. Procedimiento según una de las reivindicaciones 12 a 20, caracterizado porque el o cada enfriador previsto en el noyo está situado en una región del noyo opuesta a una región de mazarotas (14) del molde.
- 22. Procedimiento según una de las reivindicaciones 12 a 21, caracterizado porque el enfriador o por lo menos un enfriador está apoyado sobre una suela (SE) del molde.
- 23. Procedimiento según una de las reivindicaciones 12 a 22, caracterizado porque la envolvente del molde está desprovista de circuitos de enfriado.
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