inyeccion de matriz

Perú-Lima, 2014

1.

1. Objetivos

Conocer las técnicas del proceso de fundición para el moldeo por Inyección de metales en Matriz o Dados.

Conocer factores importantes que influyan en la selección de parámetros para el moldeo por inyección de metales en Matriz o Dados.

Conocer las técnicas de los procesos de las máquinas de inyección de metales en matriz en cámara caliente y en cámara fría.

Diseñado por Amado Crisógono Castro Chonta

MOLDEO POR INYECCIÓN EN MATRIZ O DADOS

Universidad Ricardo PalmaEscuela Académico Profesional de Ingeniería

Industrial

Facultad de Ingeniería

Profesor:

Amado Crisógono Castro Chonta

Curso:

Procesos de Manufactura I

Laboratorio Nº 3

Conocer las propiedades y aplicaciones típicas de los metales y aleaciones para el moldeo por inyección en matriz común.

Conocer los hornos de fusión, las prácticas de fundición y sus condiciones de operación para el moldeo de metales por inyección en matriz.

2. Fundamento TeóricoEl proceso de inyección en matriz es un proceso continuo en el cual se utiliza diversas máquinas automáticas. Además este proceso tiene una gran variedad de ventajas y campos de aplicación en la industria, es muy versátil ya que permite la fabricación de diversos tipos de piezas con diferentes formas geométricas mediante el uso de matrices y dados en la mayoría de los casos.

Este proceso de moldeo por inyección de metales tiene muchas ventajas en comparación con otros tipos de moldeos y fundición: se puede mostrar y explicar el uso de los diferentes hornos, se inyecta el metal fundido en una matriz o dados permanente fabricados de metal para este fin, difiere de otros procesos de fundición, ya que el metal se hace entrar a presión dentro de la cavidad de la matriz o dado, conservando dicha presión hasta su solidificación. La inyección se hace a una presión de 0,7MPa a 700MPa, siendo mayor que la presión de cierre de la matriz o dados.

Las piezas logradas mediante este proceso son de gran calidad, en lo que se refiere a sus dimensiones y acabado debido a la combinación de moldes metálicos o matrices y presión.El peso de las piezas fundidas que se consigue mediante este proceso van desde menos de 90g hasta aproximadamente 25kg. Generalmente las piezas típicas y comunes que se fabrican son componentes y accesorios para motores, máquinas para oficina, enseres domésticos, herramientas de mano y juguetes.

Las operaciones de fundición en matriz o dados se llevan a cabo en máquinas especiales. Las máquinas modernas de fundición en dados están diseñadas y fabricadas para mantener un cierre preciso de las dos mitades del molde y mantenerlas cerradas, mientras el metal fundido permanece a presión dentro de la cavidad.

Consideraciones económicas de la fundición

Como anteriormente se mencionó, la fundición de inyección de metales en matriz o dados es económicamente bajo si se utiliza para la fabricación de grandes volúmenes de producción, así como el costo por mano de obra que también es relativamente bajo ya que este proceso es semi o totalmente


automatizado, comparándolo con otros procesos de fundición que requieren más mano de obra. La inversión inicial es alta por utilizar más maquinarias o matrices muy caras. Todos estos factores influyen en el costo general de la operación de fundición.

En el siguiente cuadro observaremos una comparación de los diversos procesos de fundición en relación al costo que se produce:

Procesos Matriz o dado

Equipo Mano de obra

Tasa de producción(pieza/hora)

Arena L L L-M <20

Moldeo en cascara

L-M M-H L-M <50

Yeso L-M M M-H <10

Por revestimiento

M-H L-M H <1000

Molde permanente

M M L-M <60

Inyección en matriz

H H L-M <200

centrifugo M H L-M <50

Dónde: L: bajo; M: medio; H: alto

Se observa en el cuadro que los dados y matrices para inyección de metales requieren de materiales costosos además de cantidades de maquinado y preparación. También se requieren instalaciones como hornos y maquinaria relacionada para la fusión y el vaciado del metal fundido en el molde de las matrices. El costo por mano de obra depende del nivel de automatización del proceso, como se indicó este proceso requiere de cierto nivel de automatización por lo que el costo por mano de obra no es muy elevado.

3. Materiales y equipos a utilizar:

Metal de cobre, de aluminio, o aleaciones de zinc, estaño, magnesio, latón, bronce o acero.

Horno de fusión de arco eléctrico, inducción o de crisol. Máquinas de inyección neumática para la fundición en cámara caliente o

cámara fría.


Matriz o dados de acero especial. Sistema de control y sensores de temperatura y presión, tiempo y nivel.

4. Detalles de la parte experimental:En este proceso de Moldeo se pueden utilizar dos tipos básicos de máquinas de inyección en matriz o dados:

Proceso de cámara caliente

En las máquinas de cámara caliente, el metal se funde en un horno que es parte de la máquina inyectora, que atrapa cierto volumen de metal fundido y lo inyecta en el dado o matriz, usando un pistón de alta presión. Las presiones típicas de inyección son de 7 a 35MPa. El metal se mantiene bajo presión mientras dura el proceso de solidificación. Para prolongar la vida de la matriz y acelerar el enfriamiento del metal, las matrices son enfriadas por agua o aceite que circulan por varios canales en el interior de la matriz colada. Con velocidades características de producción de hasta 500 partes por hora.

La fundición en dados con cámara caliente implica una dificultad especial en el sistema de inyección, porque gran parte de dicho sistema queda sumergido en el metal fundido. Por esa causa, las aplicaciones del proceso quedan limitadas a aleaciones de bajo punto de fusión que no atacan químicamente al pistón y a otros componentes mecánicos, como las de zinc, al estaño, al plomo.

El proceso de inyección en cámara caliente se observa en la siguiente figura:


FIGURA 1: Ilustración esquemática del proceso de inyección en matriz de cámara caliente.

Ciclo de la fundición en cámara caliente:(1) El metal fluye en la cámara con el dado cerrado y el émbolo levantado;(2) El émbolo fuerza al metal de la cámara a fluir hacia el dado, manteniendo la presión durante el enfriamiento y la solidificación.(3) Se levanta el émbolo, se abre el dado y se expulsa la parte solidificada. (4) Se muestra la pieza terminada. Se muestra también otra figura de máquina de cámara caliente más

amplificada:

Figura 2: Maquina de inyección en matriz de cámara caliente

Proceso de cámara fría

Las máquinas de cámara fría son las más utilizadas en el moldeo por inyección. El metal fundido procedente de un horno externo, para colar se llena la cámara del pistón sin calentar (de ahí el termino cámara fría) y se utiliza el pistón para inyectar el metal a alta presión, en la cavidad del dado; estas presiones varían de 14 a 140 MPa. Debido al uso de un cucharon de colada para vaciar el metal líquido desde una fuente externa en la cámara


del pistón. La velocidad del ciclo no es muy rápida en comparación con la máquina de cámara caliente.

Las máquinas de cámara fría se usan generalmente para fundiciones de aluminio, latón y aleaciones de magnesio. Las aleaciones de bajo punto de fusión como las de zinc, estaño, plomo pueden también fundirse en máquinas de cámara fría, pero las ventajas del proceso de cámara caliente

favorecen más el uso de estos metales.FIGURA 3: Ilustración esquemática del proceso de inyección en matriz de cámara fría.

Ciclo de la fundición en cámara fría: (1) Se vacía el metal en la cámara del pistón con el dado cerrado y el pistón retraído(2) El pistón fuerza al metal a fluir en el dado, manteniendo la presión durante el enfriamiento y la solidificación(3) Se retrae el pistón, se abre el dado y se expulsa la fundición.


Se muestra una máquina de inyección de cámara fría más amplificada

FIGURA 4: Maquina de inyección en matriz de cámara fría.


FIGURA 5: Proceso de inyección de máquina de cámara fría

Selección de máquinas de inyección y diseño de matrices:

En la selección de máquinas de inyección en matriz o dados se puede considerar lo siguiente:

La fuerza de apriete que se puede ejercer para mantener los troqueles cerrados.

La capacidad de las máquinas, generalmente va de 25 hasta 300 toneladas.

El tamaño de las matrices. La carrera del pistón. la presión de la inyección y el costo.

Las matrices y dados a presión pueden constar de:

Una sola cavidad. Múltiples cavidades (cavidades idénticas). Cavidades combinadas(cavidades diferentes) Dados unitarios(Pequeños dados simples que se pueden combinar en

una o más unidades en un dado maestro de sujeción)


Matriz de una sola cavidadMatriz de múltiples cavidades


FIGURA 6: Se muestran varios tipos de cavidades de matrices.

Las matrices o dados suelen hacerse de acero aleado para trabajos en caliente o acero para moldes refractarios, como el tungsteno y el molibdeno tienen buenas cualidades refractarias; también se utilizan, especialmente en los intentos para fundir el acero y el hierro en dados. El desgaste del dado en cada proceso de fundición se incrementa en función de la temperatura. Es recomendable elegir el material correcto para fabricar una matriz para que de esta forma no se presente desgastes rápidamente y pueda empelarse en muchas inyecciones.

Para que pueda extraerse y abrirse la pieza, la matriz debe estar constituida al menos de dos, pero frecuentemente se componen de partes que se abren en sentidos diversos.

Cada parte que conforma la matriz debe contener conductos o canales para el agua de refrigeración para mantener baja la temperatura de la matriz. El diseño de la matriz incluye un ángulo de salida y pasadores extractores para permitir y ayudar a la extracción de la pieza. Los materiales del dado no tienen porosidad natural y el metal fundido fluye rápidamente en el dado durante la inyección, por lo tanto se deben construir barrenos o vías de paso en el plano de separación de los dados para evacuar el aire y los gases de la cavidad. Aun cuando los orificios son bastante pequeños, se llenan con el metal durante la inyección, pero éste debe quitarse después.

Debido a las elevadas presiones de inyección pueden originarse turbulencias u oclusiones de aire; por lo tanto se apunta a emplear compuertas mayores y presiones de inyección menores, a la que seguirá una presión mucho mayor, después de haberse llenado completamente el molde y el metal haya empezado el proceso de solidificación. El beneficio que obtendremos es la mejora de la densidad y a reducir la porosidad.

Existen componentes como bujes, flechas y sujetadores roscados que se pueden inyectar en la matriz de manera integral. Esto es conocido como moldeado con inserto. En la selección de los materiales de los insertos, debe tomarse en cuenta la posibilidad y los riesgos de corrosión galvánica por lo que se recomienda revestir o tratar superficialmente el inserto antes de su aplicación.


FIGURA7: Inserto de fundiciones en su sitio en la inyección en matriz

a) buje moleteado. b) varilla roscada ranurada.

Propiedades y aplicaciones típicas de aleaciones para inyección de matriz comunes: Se muestra en la siguiente tabla las aleaciones más comunes utilizadas en la fundición por inyección en matriz o dados, así mismo las respectivas propiedades de estos materiales y sus aplicaciones.

Aleación Resistencia Tensil máxima(MPa)

Resistencia a la cedencia(MPa)

Elongaciones en 50 mm (%)

Aplicaciones

Aluminio380(3,5Cu-8,5Si)

320 160 2,5 Enseres domésticos, componentes automotrices, bastidores

Aluminio 13(12Si) 300 150 2,5 Formas complejas de paredes delgadas que requieren resistencias a temperaturas elevadas

Latón 858(60Cu) 380 200 15 Artículos de plomería, herrería, bujes

Magnesio AZ91B(9Al-0,7Zn)

230 160 3 Herramientas eléctricas, piezas automotrices, artículos deportivos.

Zinc Núm. 3(4Al) 280 - 10 Piezas automotrices, utensilios domésticos,


herraje para la construcciones, juguetes.

Zinc Núm. 5(4Al-1Cu)

320 - 7 Enseres domésticos, piezas automotrices, equipo de oficinas, herraje para la construcción

Prácticas y hornos de fusión

En las operaciones de fundición, las prácticas de la fusión es un aspecto de suma importancia ya que tiene un efecto directo en la calidad de las piezas fundidas.

Los hornos se cargan con material de fusión consistentes de metal, elementos de aleación y otros materiales como el fundente, que son compuestos orgánicos que sirven para refinar el metal fundido y eliminar gases disueltos e impurezas. Las funciones del fundente dependen en gran medida del metal.

Para las aleaciones de zinc, como las que se utilizan en la inyección en matriz los fundentes típicos incluyen a los cloruros de zinc, de potasio y de sodio. Los fundentes para el hierro fundido incluyen carbonato de sodio y el fluoruro de calcio.

Los hornos de fusion que frecuentemente se utilizan en las fundiciones son:

Los hornos de arco electrico: Ofrecen elevada fusion, menos contaminacion y capacidad de conservar el metal fundido para efectos de aleacion.

Los hornos de induccion: Utiles en fundiciones pequeñas , produces fusiones más pequeñas de composicion controlada.

Los hornos de crisol: Se calientan utilizando combustibles, pueden ser estacionarios, inclinable y son movibles.

Los cubilotes: Operan de manera continua, tiene elavada velocidades de fusion y producen grandes cantidades de metal fundido. Se contamina el metal fundido y el medio ambiente.

En el caso de la fundicion por inyeccion en matriz o dados, se recomendaria utilizar los hornos de arco electrico, de crisol o los cubilotes más no los hornos


de induccion por que se ha visto anteriormente que el moldeo por inyeccion es un proceso caro si se fabrica para pequeños volumenes de produccion.

FIGURA 8: Ilustración esquemática: (a) crisol, (b) cubilote


Figura 9: Horno Eléctrico Figura 10: Horno crisol

5. Cuestionario

1. ¿Explicar y describir las partes importantes de una máquina de moldeo por inyección de metal fundido en matriz o dado de cámara caliente?

2. ¿Explicar y describir las partes importantes de una máquina de moldeo por inyección de metal fundido en matriz o dado de cámara fría?

3. ¿Explicar y discutir los procesos de manufactura de moldeo mediante un DOP de producción de piezas de inyección de metal en matriz de cámara fría?

4. ¿Explicar y discutir los procesos de manufactura de moldeo mediante un DOP de producción de piezas de inyección de metal en matriz de cámara caliente?

5. ¿Explicar cómo es el funcionamiento de las máquinas de moldeo por inyección de metal fundido en matriz en cámara caliente?

6. ¿Explicar cómo es el funcionamiento de las máquinas de moldeo por inyección de metal fundido en matriz en cámara fría?

7. ¿Explicar las ventajas y limitaciones del proceso de manufactura de moldeo por inyección en matriz o dado?

8. ¿Por qué el moldeo por inyección en matriz es considerado un proceso continuo o semicontinuo y cuanto se puede automatizar?

9. ¿Cómo ha ayudado la tecnología en el proceso de moldeo de inyección de metales en matriz?

10.Explicar y discutir las propiedades físicas y químicas para fabricar una matriz o dados.

11.¿Cuáles son las piezas que se pueden fabricar a partir de este proceso?

12.¿Hacer una ilustración esquemática de la secuencia de operaciones y procesos para el moldeo por inyección en matriz o dado por cámara caliente?

13.¿Hacer una ilustración esquemática de la secuencia de operaciones y procesos para el moldeo por inyección en matriz o dado por cámara fría?

14.¿Explique cómo funciona un horno crisol, arco eléctrico, y de inducción? ¿Cuáles son sus ventajas y limitaciones?

6. Bibliografía:

R.L. Timings, “Tecnología de la fabricación”, Editorial Alfaomega, año 2007.

“Manufactura, ingeniería y tecnología, S. Kalpakjian y S.R. Schmid. Editorial Pearson, 5ª edición, 20012.


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