Aplicación de la fundición mineral casting para máquinas-herramienta

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El artículo referencia lo último en tecnología y las últimas tendencias de desarrollo en la fabricación de las bancadas de las máquinas-htas. El énfasis se pone en los materiales modernos cuya mecánica y propiedades dinámicas pueden llegar a ser un gran avance en el campo del diseño de la máquina-htas.

Sr. Norbert Kepczak
Sr. Witold Pawlowski

 

Institute of Machine Tools and Production Engineering
Lodz University of Technology
Stefanowskiego 1/15, 90{924  Lodz, Poland

Articulo recibido (10 March 2013)
Articulo revisado (16 May 2013)
Articulo aceptado (20 July 2013)

 

 

  1. INTRODUCCION

La industria global está constantemente buscando nuevas soluciones de diseño y nuevos materiales con propiedades que puedan mejorar la calidad de los productos de fabricación, reducir los costos asociados con el proceso de fabricación aumentan la flexibilidad de este proceso. Desafortunadamente, la mayoría de las empresas manufactureras todavía dependen de la tecnología y de máquinas de los años ochenta del siglo pasado, o incluso más antiguas. En una opinión general estas máquinas eran muy duraderas y la precisión con la que pueden mecanizar el producto fue suficiente para ese momento. Desde entonces, la estructura de las máquinas-htas. ha cambiado de simple a modular, sin embargo, algunos elementos de la las máquinas-htas., como las bancadas, todavía se fabrican con métodos tradicionales, como la fundición.

Las salas tecnológicas contemporáneas están equipadas con nuevas máquinas y nuevas tecnologías.

El hierro fundido, utilizado para todo tipo de cuerpos, así como las bancadas de las máquinas-htas., tiene una muy buena capacidad de amortiguación, que durante el proceso de fabricación da como resultado una alta precisión de la htas.

Las tendencias recientes de investigación y desarrollo muestran que existe una clara tendencia a alejarse de la fundición de hierro tradicional en la dirección de la fundición mineral, debido a sus mejores propiedades dinámicas. La fundición mineral es un complejo material compuesto por partículas de agregados inorgánicos, como basalto, espodumena, piedras de granito, arena, etc…. conectadas por mediación de una resina especial.

                             

Figura 1: Un ejemplo de la estructura de fundición mineral con agregados de diferentes tamaños.

Dependiendo del tipo de agregados utilizados en la fundición mineral, los granos pueden tener un tamaño desde décimas de micra hasta aproximadamente diez milímetros. Dependiendo del tipo y el tamaño de los agregados usados y la cantidad de resina, el tiempo de compactación puede ser diferente, desde varios minutos a varias horas.

Dependiendo de la precisión, las tolerancias y la rugosidad de la superficie, la fundición mineral puede realizarse en moldes fabricados distintos materiales como la madera, el plástico, el metal, el hierro fundido o una combinación de varios. 

  1. ESTADO ACTUAL DE LA FUNDICION MINERAL PARA MAQUINAS HERRAMIENTA

Las tendencias de desarrollo actuales incluyen la aplicación de fundición mineral en lugar de la tradicional fundición de hierro para la construcción de máquinas-htas.. En algunos casos, según la precisión que el fabricante quiera aportar a su máquina, la fundición mineral se utiliza solo para algunos componentes seleccionados de las máquinas-htas. o fabricantes que prefieren fabricar toda la estructura en fundición mineral como muestra el ejemplo de la foto del torno que se muestra a continuación.

Application of Mineral Casting for Machine.

Figura 2: Bancada de un torno fabricada con fundición .

 

Tabla 1: Tabla comparativa de las propiedades de los dos tipos de fundiciones.

Unidad

Fundición Hierro

Fundición Mineral

Fuerza compresiva

MPa

600-1000

-<100

Resistencia a la tracción

MPa

410-560

-<10

Flexibilidad

MPa

150-400

25-40

Densidad

Kg / m3

7150-7250

2100-2400

Elasticidad

GPa

80-140

15-40

Capacidad térmica

J / Kg·K

0,5

0,9-1,1

Conductividad térmica

W / m·K

45-50

1,3-2

Expansión térmica

10ª / K

9-12

12-20

 

 

 

Como se muestra en la Tabla 1, la fundición mineral y el hierro fundido tienen diferentes valores de resistencia a la tracción y diferente resistencia a la compresión. Independientemente del tipo de aglutinante, en relación a la compresión, la resistencia a la tracción es de aproximadamente   9: 1, siendo esta una característica muy importante de la fundición mineral.

La fundición mineral también tiene una baja densidad, que es 3 veces menor en comparación con el hierro fundido, lo que hace que la fundición mineral sea un material de construcción liviano. Las propiedades mecánicas dependen de la temperatura de la fundición, con un aumento de temperatura desde 20˚C a 80˚C existe una reducción de la resistencia a la compresión que puede alcanzar hasta el 50%. El valor de la resistencia a la fatiga de la fundición mineral, en la cual no existe daño alguno de la htas. después de realizarle un número limitado de ciclos de tensión, es aproximadamente el 50% de las cargas estáticas.

 

El fenómeno de creep o deformación por fluencia lenta puede ocurrir en las décimas de micrones si una carga de compresión es superior al 20% de la resistencia nominal de la compresión.

La conductividad térmica de la fundición mineral es en orden de magnitud menor que el de hierro fundido, la capacidad térmica es el doble de grande y la expansión térmica de ambos modelos es similar.

 

La amortiguación es uno de los factores más importantes que determinan la dinámica en las propiedades de la máquina y tiene un impacto significativo en las capacidades de mecanizado de la misma. Normalmente, las herramientas de la máquina están hechas de hierro fundido, que tiene un alto factor de amortiguación, sin embargo, los procesos de fundición requieren una estructura abierta y pequeña.

El espesor, debido a la posibilidad de vacíos, puede dar lugar a una baja frecuencia de resonancia.

La fundición mineral permite utilizar estructuras cerradas con paredes más gruesas, lo que conduce a frecuencias de resonancia más altas.

Se ha llevado a cabo una investigación para determinar el desgaste de la punta de la htas. y rugosidad de la superficie de la htas. de trabajo, dependiendo del enfriamiento (húmedo, MQL, seco) y tipo de material de la bancada de la máquina-htas. (mineral fundido, hierro fundido) durante el torneado.

Los resultados muestran la dependencia del desgaste de la htas. en función del tiempo de giro y la cantidad de material mecanizado que se eliminó, usando diferentes máquinas, una con bancada de fundición de hierro y otra con fundición mineral, en ambos casos fue evidente que el desgaste de la htas. fue mayor en el caso de la bancada de hierro fundido, siendo  independiente el método de refrigeración que se utilice.

El otro factor de la superficie que es la rugosidad de la htas., también según el tiempo de giro y la cantidad de material mecanizado, utilizando los dos tipos de fundición, también en este caso, es evidente que al usar la bancada fabricada de fundición de mineral, la rugosidad de la superficie de la htas. es más baja que con la máquina con la bancada de hierro fundido.

Estas diferencias resultan del hecho de que la fundición mineral tiene del orden de 4 a 7 veces más propiedades de amortiguación de vibraciones que el hierro fundido.

Para realizar un análisis detallado de estas propiedades, la investigación se llevó a cabo de la siguiente manera, ambas maquinas estaban equipadas con acelerómetros colocados en varios puntos para grabar información sobre las vibraciones. Las señales de salida fueron grabadas, la constante excitación periódica se presentaron de forma dependiente de la aceleración frente al tiempo y la aceleración frente a la frecuencia.

Las dependencias presentan aceleración frente al tiempo y aceleración frente a la frecuencia en una sola fuerza.

Esto demuestra que la fundición mineral se caracteriza por una menor amplitud y resonancia de vibraciones comparado con la fundición de hierro.

Además, en este caso se podría ver que la fundición mineral tiene un valor mucho más pequeño de la amplitud de la resonancia que la de fundición de hierro.

 

La investigación también ha sido llevada a cabo para investigar la frecuencia de ocurrencia de los otros modos de vibraciones libres en busca de dos formas idénticas de modelos de husillo de máquina-htas. hechos de fundición de hierro y mineral fundido. El análisis dinámico de los modos de subsecuencia ha mostrado que la frecuencia de vibraciones del modelo hecho de fundición mineral es el doble de alto que la frecuencia de un modelo de fundición de hierro.

  1. CONCLUSIONES

El artículo presenta el estado actual de la fabricación de máquinas con la fundición mineral, esta aplicación de nuevos materiales requiere una investigación a fondo tanto teórica como experimental en el campo del material y la fuerza, pero esta investigación abala las mejores capacidades técnicas de la fundición mineral para la construcción de elementos de máquinas tecnológicas, por ejemplo bancadas de máquinas-htas., etc.

La fundición mineral, debido a sus excelentes propiedades dinámicas y de baja densidad, hace que la introducción en la industria de la máquina htas. sea una realidad muy cercana.

La investigación ha demostrado que comúNmente se utiliza el hierro fundido, pero que con estas capacidades este puede ser parcial o incluso completamente reemplazado por una construcción moderna.

La aplicación de la fundición mineral para máquinas-htas. es el futuro más cercano.

  1. REFERENCIAS

 

[1] Bruni, C., Forcellese, A., Gabrielli, F. and Simoncini, M.: Hard turning of an alloy steel on a machine tool with a polymer concrete bed, Journal of Materials Processing Technology, 493–499, 2007.

 

[2] Haddad, H. and Al Kobaisi, M.: Optimization of the polymer concrete used for manufacturing bases for precision tool machines, Composites: Part B, 3061–3068, 2012.

 

[3] Erbe, T., Kr_ol, J. and Theska, R.: Mineral casting as material for machine base– frames of precision machines, Twenty{third Annual Meeting of the American Society for Precision Engineering and Twelfth ICPE, Portland, Oregon, 2008.

 

[4] Bruni, C., Forcellese, A., Gabrielli, F. and Simoncini, M.: Effect of lubrication– cooling technique, insert technology and machine bed material on the workpart surface finish and tool wear in finish turning of AISI 420B, International Journal of Machine Tools & Manufacture, 1547–1554, 2005.

 

[5] Vrtanoski, G. and Dukovski, V.: Design of polymer concrete main spindle housing for CNC lathe, 13th International Scienti_c Conference on Achievements in Mechanical and Materials Engineering, 2005.

 

[6] Cort_es, F. and Castillo G.: Comparison between the dynamical properties of polymer concrete and grey cast iron for machine tool applications, Elsevier, Materials and Design 28, 1461–1466, 2006.