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Llantas

Enviado por xprieto



  1. Procesos de conformado
  2. Tratamientos
  3. Ensayos metalúrgicos

2. PROCESOS DE CONFORMADO

2.1 PROCESO DE FUNDICIÓN

El proceso tradicional de fundición a presión consiste en la inyección, a alta presión, de una aleación de metal fundido en un molde de acero (conocido también como herramienta o molde). Ésta se solidifica rápidamente (en unos cuantos segundos) para producir un componente de forma final que es extraído automáticamente a continuación.

La mayoría de los componentes de zinc y de los componentes no férreos, como es el magnesio, se producen mediante el proceso de fundición a alta presión.

Existen dos procesos básicos de fundición a presión, que se diferencian solamente por el método de inyección del metal: cámara caliente y cámara fría. El proceso en cámara caliente se utiliza solamente para aleaciones de zinc (excepto la ZA-27) y aleaciones de magnesio AZ-91

La etapa del ciclo correspondiente a la inyección de metal normalmente concluye con una súbita intensificación de la presión sobre el metal. Esta presión se logra aumentando la presión hidráulica del émbolo, que obliga a una cantidad adicional de metal a penetrar en la cavidad del molde para compensar la contracción que se produce durante la solidificación. Esto es beneficioso hasta el punto en que promueve el llenado completo de la cavidad del molde, y crea una densidad uniforme en el metal. Sin embargo, la intensificación excesiva no es aconsejable porque fuerza al metal fundido a introducirse entre los componentes del molde, provocando el desgaste del molde y una rebaba excesiva que tiene que ser eliminada posteriormente. Se debe controlar cuidadosamente esta intensificación de presión para producir piezas de la mejor calidad.

La presión máxima, multiplicada por el área proyectada de toda la colada, genera la fuerza que se aplica sobre la estructura de la máquina. Con frecuencia, esta presión dicta el tamaño de máquina que se necesita para hacer una pieza, lo cual, a su vez, influye en el costo del producto terminado. Las máquinas se clasifican de acuerdo con la cantidad de toneladas de fuerza de fijación que pueden desarrollar durante el funcionamiento continuo a largo plazo. Normalmente, la pieza fundida es expulsada del molde, unida a cierta cantidad de material sobrante. Aquí se incluyen la compuerta, el canal de colada (que puede tener una galleta), cualquier rebosadero y, posiblemente, rebaba. Conjuntamente, todo este material (conocido como colada) es transferido a un troquel de desbarbado que separa la pieza fundida del material sobrante. Este material procedente del desbarbado se recicla posteriormente.

Fundición a presión en cámara caliente

El proceso en cámara caliente se utiliza solamente para el zinc y otras aleaciones de bajo punto de fusión que no atacan fácilmente ni erosionan los crisoles, cilindros ni pistones de metal. El desarrollo de esta tecnología, mediante el uso de materiales avanzados, hace posible que este proceso sea utilizado para algunas aleaciones de magnesio. A continuación se ilustran los componentes básicos de una máquina de fundición a presión en cámara caliente y el molde.

 

Para ver el grafico seleccione la opción "Descargar" del menú superior

En este proceso, el émbolo y el cilindro, que forman el mecanismo de inyección, se sumergen en el metal fundido que se encuentra en el crisol (o recipiente refractario) que es parte integral de la máquina. A continuación se ilustra la secuencia de operación del ciclo de fundición en cámara caliente.

Secuencia de operación del proceso de fundición a presión en cámara caliente

Para ver el grafico seleccione la opción ¨Bajar trabajo¨ del menú superior

  1. Se cierra el molde y se eleva el émbolo, abriendo el orificio y permitiendo que el metal fundido llene el cilindro.

2. El émbolo desciende y sella el orificio empujando el metal fundido a través del sifón y la tobera, hacia el interior de la cavidad del molde, donde es mantenido bajo presión hasta que se solidifica.

 

3. El molde se abre y los machos, si hay alguno, se retiran. La pieza fundida se queda sólo en una sección de del molde, en el lado del mecanismo de eyección. El émbolo retorna, permitiendo que el metal fundido residual retorne a través de la tobera y el sifón.

4. Los expulsores empujan la pieza fundida y la sacan del molde por el lado del eyector. A medida que el émbolo va destapando el agujero de llenado, el metal fundido fluye a través de la entrada para rellenar el sifón, como en el paso (1).

Ventajas de la cámara caliente sobre la cámara fría

  • Control preciso de la temperatura del metal, que mejora la fluidez, y permite que las presiones de inyección sean menores, lo que somete a los equipos a menores esfuerzos. Una mejor fluidez proporciona un mejor llenado de la cavidad, produce piezas más compactas, y permite paredes de menor espesor.
  • El cilindro sumergido de la colada (sifón), que se llena automáticamente, elimina la variación, acorta el tiempo del ciclo, y facilita el control de la temperatura del metal.
  • No se produce enfriamiento de la carga (colada calculada), como puede ocurrir cuando se transfiere metal fundido al cilindro de la colada de una máquina de cámara fría.
  • El metal fundido es sometido a una menor oxidación y a menos contaminantes provenientes de la exposición a la atmósfera.

Desventajas del proceso de cámara caliente

  • Se pueden alcanzar presiones de inyección y velocidades más bajas, por lo que las piezas fundidas pueden ser menos compactas.
  • Mayores costos de mantenimiento.

2.2 Operaciones posteriores a la fundición - Operaciones secundarias

Desbarbado

Después del moldeo, la llanta será sometida a un tratamiento de desbarbado. Algunas veces será necesario un chorro de aire o agua para enfriar la pieza antes de desbarbar.

Vista de cerca de la eliminación

de rebabas por cepillos de copa NAF

Mecanizado

Para el conformado de llantas ésta no es una operación necesaria ya que después del moldeo su forma ya es la deseada.

Sin embargo, en algunas ocasiones se realizará. Esta aleación tiene una excelente propiedad para el mecanizado debido a la compacta estructura hexagonal del magnesio. Siempre existe el riesgo de incendio cuando se mecanizan aleaciones de magnesio, especialmente cuando se producen astillas o virutas finas. Durante el mecanizado y el manejo de las virutas de magnesio deben cumplirse ciertas reglas generales:

• Utilizar altas velocidades de avance para producir viruta gruesa.

• No permitir que las herramientas rocen con la pieza de trabajo.

• Evitar cualquier fuente de ignición de las virutas.

• Mantener el puesto de mecanizado limpio y libre de acumulación excesiva de viruta.

• Tener siempre a mano una cantidad adecuada de agentes extintores (fundente seco, arena seca, extintores clase D).

• Utilizar soluciones cáusticas diluidas / emulsiones de aceite o refrigerantes sintéticos especialmente homologados para minimizar la formación de hidrógeno.

• Garantizar un abundante flujo de lubricante de corte.

• Las cabinas cerradas de mecanizado deben tener una buena ventilación para evitar las concentraciones excesivas de hidrógeno.

• Guardar las virutas húmedas en bidones de acero ventilados por la parte superior, colocados en un área de almacenamiento adecuada, alejada de las áreas de mecanizado y fundición.

• Transportar las virutas húmedas en contenedores bien ventilados, en vehículos ventilados.

 

2.3 Defectos en las piezas de fundición

Las grietas y las uniones frías probablemente representan las formas más frecuentes de defectos en las fundiciones por moldeo; sin embargo, una variedad de defectos pueden ocurrir:

  • Llenado incompleto del molde
  • Rechupes
  • Porosidades
  • Tensiones internas debidas al diseño del molde
  • Deformaciones debidas a las fuerzas de contracción

3. TRATAMIENTOS

3.1 TRATAMIENTOS TÉRMICOS

Para esta aleación realizaremos dos de los tratamientos térmicos más comunes de las aleaciones no férreas: recocido y bonificado. Según la normativa UNE 38 – 513 – 75 (que adjuntamos en el anexo) éstos se realizarán de la siguiente manera:

TRATAMIENTO

Recocido

Bonificado

Temple

Maduración

Temperaturas y tiempos usuales

Estabilización

260º C

16-18 h a 415º C

enfriamiento: aire

16 h a 170º C

Los tratamientos térmicos mejoran la resistencia y dan como resultado una máxima dureza y mayor resistencia al choque. El envejecimiento artificial después del tratamiento da aún mayor dureza y límite elástico al material.

El recocido disminuye las tensiones internas y aumenta la ductilidad facilitando, de este modo, el posterior mecanizado de la pieza. Además incrementando el tiempo de envejecimiento se aumenta considerablemente la tensión de límite elástico.

Modificaciones sobre estos tratamientos térmicos se están desarrollando para algunas aleaciones específicas para obtener las combinaciones de propiedades mecánicas deseadas, por ejemplo, incrementando el tiempo de envejecimiento aumenta el límite elástico aún perdiendo ductilidad.

3.2 TRATAMIENTOS SUPERFICIALES

El magnesio puede ser utilizado en la mayoría de aplicaciones sin especial tratamiento superficial. Con adecuadas medidas anti-galvánicas, nuestra aleación AZ91D trabaja satisfactoriamente sin apenas protección. El magnesio desarrollará oxidación natural y producirá películas que servirán de protección en algunos ambientes severos.

Sin embargo, en muchos otros necesitara protección adicional o acabados decorativos superficiales apropiados a su uso. Cuando se aplican, es principalmente para mejorar su aspecto y resistencia a la corrosión. La necesidad de protección superficial y de diferentes tratamientos varía ampliamente según los requerimientos estéticos, la composición de la aleación y la forma deseada.

Algunos de los tratamientos posibles pueden ser: mecánicos, químicos o iónicos.

4. ENSAYOS METALÚRGICOS

Una vez realizados los tratamientos térmicos apropiados realizaremos los siguientes ensayos:

4.1 Ensayo de material

En el ensayo de material de nuestra aleación distinguiremos los siguientes pasos:

  1. Análisis químico de la materia prima
  2. Comprobación de otras características mecánicas de piezas tomadas en el centro del área de montaje y en el disco para bordear el área de transición o en el área de fallo si existiera. Se realizarán ensayos tensiles y además ensayos de dureza y de resistencia a la penetración.
  3. Análisis de los defectos metalúrgicos y de la estructura de las piezas sacadas del centro del área de montaje y en el disco para bordear el área de transición o en la zona de fallo si existiera. Se observará la microestructura con el microscopio para evaluar las siguientes condiciones:
  • Porcentaje de fase perlítica en los precipitados
  • Porosidad
  • Cavidades internas
  • Tamaño de grano

4.2 Ensayo de corrosión

Este ensayo consiste en realizar una prueba con una solución salina según la norma ISO 9227 durante 384 horas.

Los pasos a seguir en este ensayo son:

  1. Preparación de la muestra: Cogeremos de la producción una pieza con la superficie tratada. Ésta será atacada con piedras (ISO 565) para simular los daños causados por el uso normal del vehículo (los daños estarán situados en el área del reborde y en el interior de la llanta).
  2. Desarrollo del ensayo: La superficie deberá ser tratada con la solución salina. Durante el ensayo la muestra y cualquier componente que esté normalmente en contacto con ella son colocados en posición vertical. La llanta es girada 90º cada 48 horas.
  3. Evaluación: Las medidas individuales que pueden afectar la corrosión deben ser evaluadas. La documentación del ensayo incluirá fotografías mostrando los puntos de máxima corrosión que anteriormente habrán sido lavados mecánicamente para así mostrar los defectos del material. Después de un ensayo de 192 horas no habrá corrosión significante. Después de 384 horas la funcionalidad de la llanta, los componentes del montaje y del neumático ya no están afectados por la corrosión.

La corrosión es considerada como uno de los problemas más importantes del magnesio. Posibles soluciones para la corrosión son:

  • Uso de aleaciones de gran pureza con el mínimo contenido de impurezas de hierro. Esto da lugar a un aumento en la resistencia a la corrosión.
  • Protección química especial del disco antes de pintar. Un recubrimiento químico es también una subcapa muy buena para la coloración posterior.
  • Cubierta de tres capas con polvos epoxide (tipo de resina).

4.3 Ensayos mecánicos

Ensayo de torsión

  1. Descripción del ensayo: Durante el ensayo de torsión se simulan las fuerzas laterales que actúan en la llanta cuando se conduce en curvas. Realizaremos el ensayo de cuatro llantas, dos al 50% y las otras dos al 75% de la fuerza lateral máxima. El borde de la llanta se fija y se aplica un momento M de torsión en el centro del área de montaje.

    Mmax = S · Fv · (μ · rdyn + d)

    Mmax: Momento máximo de torsión

    Fv: Capacidad máxima de carga de la llanta

    rdyn: Radio dinámico del mayor neumático recomendado para la llanta

    d: Inserción

    μ: Coeficiente de fricciσn

    S: Coeficiente de seguridad

  2. La fórmula para calcular el momento de torsión M es el siguiente:
  3. El ensayo se lleva a cabo con los dos valores porcentuales del 50 y el 75% del valor del momento máximo y siguiendo los siguientes estándares:

Coeficiente de fricción

0,9

Coeficiente de seguridad

2,0

Ciclos nominales por minuto

El número de ciclos por minuto puede ser el máximo posible, pero fuera de la frecuencia de resonancia del instrumento de prueba

Ensayo de rodamiento

  1. Descripción del ensayo: En el ensayo de rodamiento se simula la tensión en la llanta haciéndola rodar contra un tambor estandarizado.
  2. Fórmula para calcular la carga:

FP = S · Fv

FP: Carga de ensayo

Fv: Capacidad máxima de carga de la llanta

S: coeficiente de seguridad

Ensayo de impacto

  1. Descripción del impacto: Se comprobarán las fracturas en los bordes y otros puntos críticos cuando la llanta se encuentre con un obstáculo.
  2. Cálculo de la carga:

D = 0,6 · Fv / g + 180

D: Valor de la masa que cae

Fv: Capacidad de carga máxima

g: gravedad

Criterios de fallo:

La llanta no se considerará apta cuando:

  • Fracturas visibles penetren a través de una sección del miembro central de la llanta
  • El miembro central se separa del borde
  • El neumático pierde toda la presión del aire en un minuto.

Ensayo del par alternado

  1. Descripción del ensayo: En este ensayo se simulará el par que actúa en las llantas durante la frenada y la aceleración. Las llantas serán probadas al 50% y 75% del máximo valor del par calculado. Cada borde de la llanta es fijado rígidamente en la mesa de ensayo y es tensionado por un par que se alterna entre ± MT.
  2. Fórmula para el cálculo del par:

MT = S · Fv · rdyn

4.4 Control de calidad
Los ensayos de rayos X garantizan la fiabilidad y durabilidad de las llantas de magnesio. Ésta es una de las razones por la cual las llantas de magnesio son utilizadas en súper coches como Porche, Lamborghini y Ferrari. El chasis de estos coches está también fabricado con aleaciones de magnesio.

  1. BIBLIOGRAFÍA

Magnesium and Magnesium Alloys. ASTM Editions.

Para la realización de este proyecto hemos consultado, entre otras muchas, las siguientes páginas web:

http://dmoz.org/Business/Industries/Manufacturing/Automotive/Parts_and_Accessories/Wheels/

http://www.rs4.org/articles/rs4-org/RS4_wheel_report.doc

http://www.skulte.com/adapterfaq.html

http://www.wipo.int/classifications/fulltext/new_ipc/ipc7/eb21b.htm

http://www.afonline.com/articles/99win03.html

http://www.ktu.lt/en/science/journals/medz/medz006.html#Peculiarities

http://www.hiper-technology.com/FAQ.htm

http://www.billetwheel.com/info/FAQ.html

http://gypsy.cad.gatech.edu/courses/me4041/1996/summer/me4041_summer.html

http://www.butler-eng.com/techsupp/passport/eng/chapt2e.html

http://www.magnesiumwheels.com/index.php

http://www.braid.es/braidwheels/i+d/i+dENG.htm

http://www.teksid.com/pdf/Riv-18-1.pdf

http://www.magnesiumwheels.com

http://www.speedlinecorse.co.uk/

http://www.tirerack.com/wheels/oz/oz.htm

http://www.alessiowheels.com/eng/

http://www.cosmos.com.mx/pqs/_ip_s_.htm

http://search.eb.com/eb/article?eu=80063&tocid

También hemos consultado la normativa UNE para aleaciones de Aluminio-Silicio y para aleaciones de Magnesio por forja. De la misma manera hemos consultado y trabajado con la normativa americana.

 

 

 

Elisenda Gómez Renom

Alberto Morodo de Pablo

Maria Prats Torruella

Fco. Javier Prieto Soliva

 

 


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