MXPA03000559A - Equipo para moldear partes de fundicion con medios mejorados para colocar nucleos de arena y metodo de colocacion relacionado. - Google Patents

Abstract

La invencion se refiere a un equipo para moldear partes de fundicion en un molde que comprende al menos un nucleo de arena, en donde la colocacion del nucleo o cada nucleo se produce mediante la cooperacion entre el nucleo y un elemento de molde, y en particular un elemento de molde de metal; dicho equipo se caracteriza porque el nucleo o cada nucleo tiene un inserto asegurado al nucleo cuando dicho nucleo se produce y por medio del cual dicho nucleo se adapta para impulsarse en cooperacion con dicho elemento de molde; la invencion tambien se refiere a un metodo relacionado para colocar nucleos; la invencion es particularmente util para mejorar la colocacion de tuberias de admision en culatas del cilindro de aleacion ligera para motores de combustion interna.

Description

EQUIPO PARA MOLDEAR PARTES DE FUNDICION CON MEDIOS MEJORADOS PARA COLOCAR NUCLEOS DE ARENA Y METODO DE COLOCACION RELACIONADO La presente invención se refiere en general a un sistema para colocar núcleos cuando se elaboran fundiciones de aluminio en moldes metálicos.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION Cuando se utilizan núcleos de arena para elaborar fundición de aleación de aluminio o cualquier otra aleación ligera, la precisión con la cual los núcleos de arena se colocan contribuye de manera determinante para la precisión dimensional de fundiciones elaboradas en un molde metálico ya que dicha colocación es esencial para determinar las formas interiores de la fundición, y también algunas de sus formas exteriores. Más precisamente, y por medio de ejemplo, cuando se funden las culatas del cilindro para motores de vehículos motores, las funciones importantes del motor se relacionan directamente con la colocación de los núcleos: esto se aplica en particular a los conductos o tuberías de admisión o escape, que se laboran en su totalidad por medio de núcleos, y para los cuales la precisión de colocación tiene una influencia directa en el rendimiento de un motor (energía, consumo de combustible, emisiones contaminadoras, etc.). Infortunadamente, la interacción entre núcleos y elementos del mundo metálicos dan lugar a problemas que van en contra el control exacto en la colocación dimensional. Los núcleos generalmente se formulan de una mezcla de arena (generalmente sílice) de tamaño de grano bien definido y aglutinantes químicos orgánicos que proveen al núcleo con cohesión y resistencia. Estos aglutinantes se endurecen convencionalmente en dos familias extensas de métodos para elaborar núcleos, ya sea al utilizar la técnica de "caja fría" (es decir, utilizando un catalizador químico gaseoso) o la técnica de "caja caliente" (es decir, al suministrar calor a la caja del núcleo que por sí misma se encuentra elevada en cuanto a la temperatura). Sin embargo, sin importar cual de estas dos técnicas para elaborar núcleos se utiliza, los núcleos se comportan de manera similar mientras se lleva a cabo la fundición. De este modo, una vez que se colocan en el molde, que por sí mismo se encuentra listo a una cierta temperatura, que típicamente yace en la escala de 80"C a 300°C para sus porciones más frías y 400°C a 500°C para sus porciones más calientes, los aglutinantes en los núcleos comienzan a descomponerse y a emitir residuos gaseoso. Ese procedimiento entonces se acelera mientras que el aluminio líquido se funde, ya que el aluminio penetra en el molde a una temperatura que yace típicamente en la escala de 600°C a 700°C.

Los residuos gaseosos se condensan en las porciones metálicas del molde, formando localmente capas sucesivas de escamas constituidas por residuos sólidos de dicha descomposición que se carbonizan a varios grados. Estos residuos son extremadamente duros y evitan que los núcleos se coloquen apropiadamente en las porciones metálicas. Para regresar al ejemplo de los conductos de admisión o escape en una culata del cilindro, el perfil de la cámara generalmente se elabora por medio de un elemento de molde metálico frío que sirve para acelerar el enfriamiento del aluminio localmente durante la solidificación, refinando localmente así su microestructura y mejorando sus propiedades (resistencia, rendimiento a la fatiga en frío y en caliente, alargamiento a la ruptura, etc.). Los núcleos que forman los conductos están sostenidos en el elemento metálico enfriado. De este modo, las escamas que se acumulan en la superficie de contacto del elemento del molde metálico se desalinean de los conductos del núcleo, interrumpiendo así la precisión con la cual se colocan, y conduciendo a los inconvenientes antes mencionados. En fabricación práctica, ese problema puede resolverse únicamente al dejar espacio libre sustancial para las guías y soportes situados en las superficies de los elementos metálicos que interactúan con las superficies de revestimiento de los núcleos, y al mantener estas superficies limpias al limpiarlas en intervalos regulares durante la fabricación, por ejemplo al cepillarlas.

Dichas operaciones interrumpen la fabricación ya que prolongan los tiempos de ciclo y dañan los revestimientos de liberación que protegen los elementos del molde del aluminio líquido, requiriendo así que dicho revestimiento se repare localmente en donde sea necesario. El fabricante de esta manera busca separar dichas operaciones de limpieza lo más que sea posible, pero eso va en contra de las acumulaciones de las escamas. De este modo, en la producción, la práctica de la presente es un compromiso entre varias limitaciones, poniendo así un límite en la precisión dimensional con la cual los núcleos se colocan en los elementos metálicos.

BREVE DESCRIPCION DE LA INVENCION La presente invención trata de mitigar aquellas limitaciones de la naturaleza de la técnica anterior. Para este propósito, en un primer aspecto, la presente invención provee equipo para fundición por moldeo, en particular culatas del cilindro para motores de vehículo, en un molda que tiene al menos un núcleo de arena, en donde la colocación del o cada núcleo se obtiene mediante la cooperación del núcleo con un elemento del molde, en particular un elemento de molde metálico, el equipo caracterizado porque al menos un núcleo posee un inserto asegurado al núcleo mientras hace a dicho núcleo y a través del mismo, adecuado para cooperar con el elemento del molde en cuestión.

Características no limitativas pero ciertamente preferidas del equipo de moldeo de la invención son las siguientes: • el inserto o cada inserto posee uno o más anexos de sellado adecuados para mantenerse cautivos en la masa del núcleo o núcleos durante la preparación del mismo. ¦ al menos dos núcleos poseen un inserto común provisto con un número correspondiente de anexos de sellado respectivos; ¦ la cooperación entre el y cada inserto y el elemento de molde relacionado es una cooperación de forma que define un soporte en al menos una de tres dimensiones; ¦ la cooperación de forma entre el o cada inserto y el elemento de molde relacionado define soporte en dos de tres dimensiones; ¦ la cooperación de forma entre el o cada inserto y el elemento de molde relacionado define soporte en las tres dimensiones; « la cooperación de forma entre el o cada inserto y el elemento de molde relacionado define el acuñamiento en al menos una dirección que se extiende transversalmente a una dirección de soporte transversal para el inserto; ¦ el equipo incluye un grupo de núcleos elaborados como una sola pieza y que tienen una pluralidad de insertos asegurados al mismo adecuados para cooperación con un elemento de molde común, y varios insertos proveen soporte y/o acuñamiento en diferentes de las tres dimensiones; y ¦ los núcleos son núcleos de tubería de admisión para una culata de cilindro de un motor que tiene una pluralidad de cilindros. En un segundo aspecto, la presente invención provee un método para colocar un núcleo en un molde para elaborar una fundición con al menos una cavidad definida por la colocación de un núcleo, tal como una culata de cilindro de aleación de aluminio para un motor, el método caracterizado porque comprende los siguientes pasos: ¦ elaborar un inserto metálico con al menos una superficie de soporte adecuada para cooperación con un elemento de molde, y al menos un elemento para fijarse al núcleo; - elaborar un núcleo en una caja de núcleo en donde el inserto se ha colocado previamente en una composición predeterminada de manera que una región de extremo del núcleo se fija a dicho inserto por medio de los elementos de fijación de los mismos; y · colocar el núcleo con su inserto en el molde en una posición que es predeterminada por la cooperación entre la superficie o superficies de soporte del inserto y dicho elemento del molde. Características preferidas pero no limitativas del método de la invención son las siguientes: · la posición predeterminada del inserto en la caja del núcleo se determina por la cooperación entre la superficie o superficies de soporte de dicho inserto y una porción de soporte de la caja de núcleo; • el paso de elaborar el núcleo comprende elaborar al menos dos núcleos que se fijan a un inserto común; ¦ el inserto se elabora al moldear metal bajo presión; • el núcleo es un núcleo de tubería de admisión; y ¦ el núcleo se elabora mediante un método de caja fría.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS Otros aspectos, objetos y ventajas de la presente invención aparecen más claramente en la lectura de la siguiente descrípción detallada de una modalidad preferida de la misma, dada por medio de ejemplo no limitativo y con referencia a los dibujos anexos, en donde: la figura 1 es una sección longitudinal a través del equipo para moldeo de una culata del cilindro; la figura 2 es una vista en sección transversal esquemática a través del mismo equipo; la figura 3 es una vista en sección transversal en una escala superior que muestra un detalle del equipo de la invención; y la figura 4 es una vista en sección longitudinal de la figura 3.

DESCRIPCION DETALLADA DE UNA MODALIDAD Con referencia inicialmente a las figuras 1 y 2, se muestra la preparación convencional de una culata del cilindro CL mediante moldeo por propio peso en un molde que es esencialmente constituido por una placa de asiento de metal enfriado S, parte central C, y correderas de extremo T, las correderas cerrando el molde perpendicularmente a las partes centrales C. Las formas interiores comprenden cavidades formadas por núcleos de tubería de admisión Na, núcleos de tubería de escape Nech, núcleos de circulación de agua Ne, núcleos de circulación de aceite, y núcleos superiores Nht (véase en particular la figura 2), los núcleos superiores también proveyendo alimentadores para alimentar metal líquido a la fundición a medida que se solidifica. El molde se alimenta con metal líquido a partir de la parte de abajo utilizando la técnica de moldeo de propio peso que es convencional para este tipo de parte, por medio de un sistema de suministro SA (figura 1 ). La culata del cilindro mostrada es para motor de diesel que tiene cuatro cilindros, dieciséis válvulas, e inyección directa. Para este tipo de culata del cilindro, el rendimiento del motor depende fuertemente de la precisión con la cual las tuberías de admisión se colocan que a su vez se determina por la precisión con la cual se colocan los núcleos correspondientes. El ensamble total comprende el molde, la fundición, y los anexos de fundición se muestran esquemáticamente en la figura 1.

En la invención, cada par de tuberías de admisión se provee con insertos I metálicos de extremo, como se muestra esquemáticamente en la figura 2 y con mayor detalle en las vistas a gran escala de las figuras 3 y 4. La figura 4 es una sección longitudinal que muestra que el inserto I de la figura 3 de hecho se conecta con dos tuberías de admisión, y junto con la figura 3 muestra cómo el inserto provee guía y soporte. El propósito esencial de tener el inserto I es asegurar que el elemento del molde metálico no hace más contacto con el núcleo directamente, pero indirectamente por medio del inserto que a su vez se asegura al núcleo, y cuando sea conveniente a través de uno o más insertos, en particular otro inserto en el extremo opuesto del núcleo. A este respecto, debe observarse que el número y disposición de los insertos depende esencialmente de la configuración del núcleo y de la precisión requerida para colocarlo. Cada inserto I presenta de manera útil las siguientes características: ¦ se asegura al núcleo o núcleos relacionados (en este caso dos núcleos Nal y Na2 para tuberías de admisión) al colocarse en la caja del núcleo mientras se elaboran los núcleos o el núcleo; ¦ presenta un cuerpo principal 10 proyectando desde el mismo hacia el núcleo uno o más anexos de sellado, en este caso dos anexos 111 y 112 respectivamente para cada uno de los dos núcleos de tubería de admisión Nal y Na2, estos anexos se incrustan en la masa de arena y en el aglutinante orgánico mientras los núcleos se forman, de manera que una vez que el aglutinante se endurece, cada núcleo rodea sus anexos y un enlace intimo se establece entre el núcleo y el inserto; el cuerpo 10 del inserto tiene formas adaptadas para guiarse y colocarse por sí mismas y de este modo el núcleo, con relación a las formas generalmente complementarias provistas en o sobre el elemento de molde de metal que enfrentan (en este caso la placa de asiento S), como se describe con detalle a continuación; • el inserto se diseña de tal manera para proveer la superficie de contacto entre el núcleo con la cual se asegura y el elemento de molde de metal de superficie de manera que la escama ocasionada por el núcleo que se degrada, aunque caliente, no altera la manera en la cual el núcleo ajustado con su inserto o insertos se coloca con relación al elemento metálico; - la forma del inserto I se selecciona para hacerlo fácil de producir, por ejemplo mediante fundición de metal, en particular aluminio bajo presión, seleccionando un material que es compatible con la aleación de la fundición a elaborar, y en particular que no da lugar a ningún problema de compatibilidad en refundición; y ¦ además y sin considerar el método utilizado para elaborar el inserto o insertos, se prefiere definir toda la guía y formas de soporte y superficies en una sola pieza de montaje (típicamente en un sólo elemento de molde) utilizado para elaborar los insertos. Esto hace posible evitar desplazamientos mutuos no deseados entre estas formas y las superficies como de otra manera pasaría, en particular si algunos de ellos se obtienen a partir de correderas cuya colocación durante el moldeo no siempre se garantiza con buena precisión. Lo que sigue es una descripción a detalle por medio de ejemplos de guías y soportes posibles para insertos en tres dimensiones como se muestra en la figura 4 en donde x. designa la dirección longitudinal de la culata del cilindro, y, designa su dirección transversal, y g la dirección vertical. En una modalidad básica, cada inserto es adecuado para definir la colocación exacta del núcleo relacionado al cooperar con el elemento de molde metálico por medio de las superficies que proveen soporte a lo largo de cada uno de los tres ejes x, y, y z. De este modo, en el ejemplo de la presente, el cuerpo 10 del inserto se recibe en una cavidad generalmente complementaria 20 formada en una placa de asiento S, y presenta en su cara inferior una cavidad 12 de forma generalmente rectangular que recibe una protuberancia 211 de forma generalmente complementaria (ignorando espacios libres que son lo más pequeños posibles) que se proyecta desde la parte inferior de la cavidad 20 Esto asegura que el inserto (y por lo tanto también el núcleo) se coloque con relación a los ejes ¾ y y. Además, en la cercanía de su cavidad 12, el inserto presenta una superficie de soporte 123 adecuada para entrar en contacto con la superficie inferior de la cavidad 20 en la placa de asiento, para colocar el inserto y el núcleo a lo largo del eje z..

La figura 4 en particular muestra otras disposiciones, principalmente 121 , 122, y 124 sobre el inserto y 212 en la placa de asiento que también puede ser utilizada para colocar apropiadamente el inserto. También puede observarse que con el fin de facilitar el acoplamiento del cuerpo 10 del inserto I en la cavidad 20, es útil proveer un ahusamiento relativamente grande o un ángulo de "tracción" en las caras laterales del inserto y de la cavidad. De manera útil, estas mismas disposiciones del inserto (en este caso la cavidad 12 y la superficie 123) también se utilizan para colocar el inserto en la caja del núcleo cuando se forma el núcleo. Esto optimiza la precisión dimensional resultante con relación a la colocación del núcleo en el molde mientras hace uso de un sólo grupo únicamente de superficies de colocación. En algunos casos, y en particular para una culata de cilindro que tiene una pluralidad de cilindros, no existe la necesidad de guiar los núcleos de admisión en cada cámara a lo largo de tres ejes ya que estos núcleos también se aseguran entre sí mediante una porción de núcleo común Npa, como se muestra en la figura 1. En este tipo de configuración, y en el ejemplo particular de un motor de cinco cilindros, es posible proveer insertos ordenados 1 a 5 (1 por cilindro) de manera que cooperen con cavidades formadas en la placa de asiento S que tiene la siguiente guía y soporte: • inserto 1 : y y z; inserto 2: 5; • inserto 3: x, y y z; • inserto 4: j; inserto 5: y. y z.. Además, el núcleo superior ahora se apoya directamente en la dirección del eje z en la mitad de las tuberías de admisión (véase figura 2), garantizando así que los insertos se presionan en la dirección z y como resultado aseguran que todos los núcleos de tubería de admisión Na se presionan en la dirección z. Debe observarse que, si es necesario, es posible proveer insertos en los extremos superiores de los núcleos Na. Cada inserto I se elabora mediante fundición bajo presión. Para elaborar cada grupo de núcleos de tubería de admisión Na, cinco insertos se colocan en la caja del núcleo antes de formar el núcleo. El método para elaborar el núcleo descrito a continuación es el método de caja "fría", y se caracteriza en particular por un contenido de resina de 1 % y arena de sílice que tiene un tamaño de grano de 55 AFS. Las culatas del cilindro se funden bajo gravedad con una aleación estándar del tipo AS7U3G que tiene la siguiente composición: Si: 6.0 a 8.5 Fe: =0.50 Cu: 2.8 a 3.8 Mg: 0.05 a 0.50 Zn: = 0.30 n: = 0.30 Ti: = 0.25 Otros: individualmente: = 0.05 juntos: = 0.15 (valores en % en peso). La temperatura de fundición (como se mide en el homo de conservación) es 740°C. La placa de asiento S se enfria con agua. La velocidad de fundición es 7 a 8 fundiciones por hora. Con relación a los arranques de la fabricación a máquina que se sitúan en la placa de asiento y que pertenecen a la fundición en crudo, la guía puesta en marcha de conformidad con la invención por medio del inserto o insertos hace posible en una producción en un día de 30 culatas de cilindro de fundición consecutivas para obtener colocación para los extremos de los conductos de admisión (como se mide en las fundiciones después de que se han enfriado, desarenado, y después de que los sistemas alimentadores de metal y los insertos se han removido) que se caracteriza por la desviación estándar que es menor que o igual a 0.1 milímetros (mm) en las tres dimensiones x, y, y Además, puede observarse que las formas de guía del inserto permanecen limpias, y en particular libres de escamas, lo cual asegura que la guía se reproduce con el tiempo.

EJEMPLO COMPARATIVO La misma culata del cilindro montada en los mismos principios y utilizando la misma aleación, pero con los núcleos de tubería de admisión guiados directamente en la placa de asiento metálica hace posible obtener precisión de colocación en las direcciones x, y, y ¾ no mejores a la escala de 0.20 milímetros a 0.25 milímetros. Debido al mantenimiento regular requerido por el molde a utilizar para fabricación, el rendimiento de moldeo es de alrededor de 5% a 10% por debajo del ejemplo de la invención. Naturalmente, la presente invención no se limita de ninguna forma a la modalidad descrita en particular anteriormente, y los expertos en la técnica serán capaces de elaborar variaciones y modificaciones a la misma.

Claims (4)

NOVEDAD DE LA INVENCION REIVINDICACIONES

1 - Equipo para moldeo de fundición, en particular culatas del cilindro para motores de vehículo, en un molde (S, T, C) que tiene al menos un núcleo de arena (Nal , Na2), en donde la colocación del núcleo o cada núcleo se obtiene mediante la cooperación del núcleo con un elemento (S) del molde, en particular un elemento de molde metálico, el equipo caracterizado porque al menos un núcleo posee un inserto (I) asegurado al núcleo mientras elabora dicho núcleo y por medio del cual dicho núcleo es adecuado para cooperar con el elemento del molde en cuestión.

2 - El equipo de moldeo de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el inserto o cada inserto (I) posee uno o más anexos de sellado (111, 112) adecuados para mantenerse cautivos en la masa del núcleo o núcleos (Nal , Na2) durante la preparación de los mismos.

3 - El equipo de conformidad con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, caracterizado porque al menos dos núcleos (Nal, Na2) poseen un inserto común (I) provisto con un número correspondiente de anexos de sellado respectivos (11 , 112).

4 - El equipo de conformidad con la reivindicación 3 ó 4, caracterizado además porque la cooperación entre el o cada inserto (I) y el elemento de molde relacionado (S) es cooperación de forma que define un soporte en al menos una de tres dimensiones. 5.- El equipo de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado además porque la cooperación de forma entre el o cada inserto (I) y el elemento de molde relacionado (S) define soporte en dos de tres dimensiones. 6 - El equipo de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado además porque la cooperación de forma entre el o cada inserto (I) y los elementos de molde relacionados (S) define soporte en todas las tres dimensiones. 7 - El equipo de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado además porque la cooperación de forma entre el o cada inserto (1 ) y el elemento de molde relacionado (S) define el acuñamiento en al menos una dirección (x, y) que se extiende transversamente a una dirección de soporte principal (z) para el inserto. 8 - El equipo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado además porque incluye un grupo de núcleos elaborados como una sola pieza y que tiene una pluralidad de insertos (I) asegurados al mismo adecuados para cooperar con un elemento de molde común (S), y en que varios insertos (I) proveen soporte y/o acuñamiento en las diferentes de tres dimensiones. 9 - El equipo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque los núcleos (Nal, Na2) son núcleos de tubería de admisión para una culata del cilindro (CL) de un motor que tiene una pluralidad de cilindros. 10.- Un método para colocar un núcleo (Nal, Na2) en un molde para elaborar una fundición (CL) que tiene al menos una cavidad definida por la colocación de un núcleo, tal como una culata del cilindro de aleación de aluminio para un motor, el método caracterizado porque comprende los siguientes pasos: elaborar un inserto metálico (I) que tiene al menos una superficie de soporte (12, 123) adecuada para cooperar con un elemento de molde (S), y al menos un elemento (111 , 112) para asegurarse al núcleo; elaborar el núcleo en una caja del núcleo en donde el inserto (I) se ha colocado previamente en una posición predeterminada de manera que una región de extremo del núcleo se fija a dicho inserto por medio del elemento o elementos de fijación de los mismos; y colocar el núcleo con su inserto en el molde en una posición que es predeterminada por la cooperación entre la superficie o superficies de soporte del inserto y dicho elemento de molde. 11- El método de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado además porque esa posición predeterminada del inserto en la caja del núcleo se determina por la cooperación entre la superficie o superficies de soporte (12, 123) de dicho inserto y una porción de soporte (211, 20) de la caja del núcleo. 12.- El método de conformidad con la reivindicación 10 u 11 , caracterizado además porque el paso de elaborar el núcleo comprende elaborar al menos dos núcleos (Nal, Na2) que se fijan a un inserto común (I). 13. - El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12, caracterizado además porque el inserto (I) se elabora al moldear metal bajo presión. 14. - El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 10 a 13, caracterizado además porque el núcleo (Nal , Na2) es un núcleo de tubería de admisión. 15. - El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 10 a 14, caracterizado además porque el núcleo se elabora mediante el método de caja fría.