Influencia de los parmetros de inyeccin de defectos en la formacin de la fundicin a presin Al12Si1 , aleacin 3Cu :abstractoEn este trabajo se describen los resultados obtenidos en un estudio realizado en colaboracin entre LabFund / DEM / PGCEM / UDESC y el Departamento de Ingeniera Industrial WEG Motors para el Control de Calidad y de aluminio Die Casting. Se trata de la combinacin de una metodologa experimental DOE ( diseo de experimentos ) y de un aplicativo numrico comercial . La influencia de los parmetros de inyeccin de velocidad en las fases primera y segunda y de la presin molestos por la calidad de las piezas de fundicin a presin , de 305 aleaciones de aluminio se investiga . Inicialmente , se realiz un experimento de planificacin , donde se utilizaron varias combinaciones de los tres parmetros de inyeccin , a fin de permitir la evaluacin de su influencia en la incidencia de defectos de fundicin , tales como porosidades y cierra fras . La fundicin de evaluacin cordura obtenido se lleva a cabo mediante inspecciones visuales y anlisis cuantitativos grfico de metal , as como por mediciones de la densidad en una regin significativa de colada , en la que grandes cantidades de porosidades aparecen despus de mecanizado de la superficie . En vista de los resultados obtenidos, los anlisis se realizaron por medio de simulaciones numricas del proceso de fundicin a presin , utilizando los parmetros de inyeccin para los que se obtuvieron los mejores y los peores resultados en relacin con la presencia de porosidades y cierra fros. La comparacin entre los resultados experimentales y la informacin obtenida a travs de los anlisis de las simulaciones realizadas muestra una buena convergencia , con respecto a la tendencia a la porosidad y cierra fras ocurrencia en funcin de las variaciones en los parmetros de inyeccin . 2006 Elsevier B.V. Todos los derechos reservados .Palabras clave: aleaciones de aluminio ; Die castings ; Los defectos ; Diseo de experimentos ; simulacin

1 . IntroduccinEn el proceso de fundicin a presin de aluminio existe un nmero de parmetros , que , cuando se determina y se ajusta adecuadamente , resulta en una mejora de la calidad de la pieza de fundicin a presin . En estas piezas de fundicin , el defecto ms comn en piezas fabricadas es la porosidad interna . Una de las mayores causas es el aire aprisionado en el metal lquido durante las dos primeras etapas de llenado de proceso de fundicin a presin. Porosidad interna tambin puede aparecer en la forma de la contraccin , debido a la solidificacin prematura del metal en la puerta . Normalmente , las principales variables controladas son la temperatura del molde , dosificar el volumen, disparos rpidos y lentos , los puntos de conmutacin , las presiones de inyeccin , upsetpressure , aswellasthemetallurgicquality , la composicin qumica y la temperatura del aluminio lquido . En este trabajo, un* Autor para correspondencia.Las direcciones de correo electrnico : gverran@joinville.udesc.br (GO Verran ) , rmendes@unerj.com.br ( RPK Mendes ) , marcorossi@pop.com.br (MA Rossi) .0924-0136 / $ - see front matter 2006 Elsevier BV Todos los derechos reservados .doi : 10.1016 / j.jmatprotec . 2006.03.089Se utiliz la metodologa experimental DOE ( diseo de experimentos ) , con el objetivo de determinar cmo estos parmetros influyen en la calidad de las piezas de fundicin a presin . Con esta informacin , el hombre de la fundicin puede ajustar los parmetros , con el fin de optimizar el proceso de fundicin a presin una determinada parte .La utilizacin del CAE ( ingeniera asistida por ordenador) herramientas de simulacin est ahora bien aceptado y ampliamente utilizado por la industria de la fundicin como una potente herramienta de diseo . Los acontecimientos recientes en esta rea son las herramientas de simulacin que no slo hacen que la capacidad de simulacin de llenado / solidificacin disponibles, pero tambin permiten que el diseador de fundicin a presin de integrar la fundicin a presin y de los parmetros de la mquina en la simulacin [ 1 ] .

La figura . . 1 Fundicin a presin utilizado en este estudio : Cilindro de doble cubierta ( a) , y la regin analizada muestra la presencia de porosidades ( b ) .Faura et al . propuesto una solucin basada en software comercial , con el fin de determinar la aceleracin ptima mbolo . El anlisis numrico se realiz utilizando el cdigo de Wrafts [ 2 ] , whichisbasedonalinearisoparametricfinite - elementmethodto resolver impulso y ecuaciones de conservacin de masa . El problema se trat en dos dimensiones utilizando una cuadrcula computacional de un elemento de espesor con elementos hexaedros de ocho noded , y la aplicacin de condiciones de simetra a la superficies frontal y posterior de la rejilla. Las ecuaciones de momento se resolvieron mediante la integracin de tiempo explcitos para las velocidades .Baker et al . [ 3 ] , usando el mismo software ( WRAFTS ) , propuesto una simulacin de llenado del molde que es capaz de predecir con precisin la cantidad y la ubicacin de gas atrapado en el final del llenado . Mediante el acoplamiento de los clculos de gas atrapadas de la simulacin de llenado del molde con los clculos de porosidad de la simulacin de la solidificacin , un algoritmo mejorado se obtuvo para la prediccin de la porosidad en piezas fundidas .En la obra de Wang et al. [ 4 ] , se analiz un caso industrial tpico . Se present un 3D acoplado de flujo de fluido y la simulacin de transferencia de calor , con el fin de predecir el perfil patrn de flujo y la temperatura durante la colada de metal en el manguito de disparo y el movimiento del mbolo posterior . Los autores muestran que el primer metal es salpicado dentro de la manga de inyeccin y rpidamente pierde su temperatura . Se crea un reflejo de onda, como el mbolo avanza, y causa un toque de metal en la salida de la manga . A partir del resultado de la prediccin de flujo , se recomend una operacin ptima del mbolo . El anlisis trmico predice que se forma un slido de capa en la cara inferior de la manga de inyeccin , en las zonas cercanas a la matriz .En este trabajo , una combinacin de la metodologa de parmetros se utiliz con el fin de evaluar la influencia de los parmetros de inyeccin en una pieza de fundicin a presin .Los parmetros de fundicin a presin estudiadas fueron:1 . Slowshot , tambin llamada primera velocidad de fase , es la velocidad del mbolo con el fin de poner el aluminio lquido cerca de las puertas , la preparacin de la mquina para el tiro. Algunos autores definen las velocidades ideales de acuerdo con el porcentaje de llenado [ 5-7 ] . Muy altas velocidades en la primera etapa pueden resultar en la turbulencia en el manguito de disparo , lo que resulta en el atrapamiento de aire [ 8 ] . Cuando esto ocurre , el proceso de fundicin a presin puede dar lugar a un componente con alta porosidad interna .2 . Disparo rpido es la velocidad del mbolo de la etapa de responsable del llenado parcial. Esta etapa determina el tiempo de llenado de la pieza y la velocidad de metal en la puerta . Muy bajas velocidades de la segunda etapa puede resultar en fro se cierra , y muy altas velocidades en las porosidades de fundicin a presin [ 4 ] .3 . Malestar presin es la presin multiplicada en el cilindro de tiro, despus del llenado de la cavidad del molde. Esta presin es responsable de la fundicin a presin de compactacin durante la solidificacin , la prevencin de la expansin de gases atrapados y la reduccin de los formationoftheporosities , duetothemetalshrinkage.Incase de un retraso en la aplicacin de la presin en la tercera etapa , themetalinthegatewillsolidify , resultingintheformationof porosidades y cavidades de contraccin [ 9 ] . Syrcos [ 10 ] , utilizando la tcnica introducida por Taguchi [ 11,12 ] , ya ha investigado este asunto .2 . Procedimiento experimentalLa parte elegida fue una " tapa de cilindro doble " de Al12Si1 , aleacin 3Cu para los motores de compresor (Fig. 1 ), que presenta problemas de porosidad y un alto nmero de rechazos . Para la evaluacin de la calidad , una regin crtica de esta parte ha sido elegido , donde la ocurrencia de este tipo de defecto fue alta ( fig. 2 ) . La principal causa de la gran cantidad de rechazos fue debido a la aparicin de defectos , como porosidades y contracciones , ubicadas en las regiones que necesitan a mecanizar .La metodologa DOE ( diseo de experimentos ) se utiliz con el fin de verificar la influencia de algunos de los parmetros de fundicin a presin sobre la calidad final del producto de fundicin a presin . Los experimentos , as como el proceso de fabricacin de esta parte , se realizaron en una clula de fundicin a presin , que comprende una mquina de fundicin a presin 630T , as como horno y sistemas de lubricacin automtica . El operador

La figura . 2 . Correlacin entre la densidad y la calificacin de la porosidad visual.192 G.O. Verran et al. / Diario de Tecnologa de Procesamiento de Materiales 179 (2006) 190-195Tabla 1Los experimentos utilizando una metodologa DOELas condiciones experimentales shot Lento(m / s ) disparo rpido(m / s ) Presin Malestar( MPa )01 0,14 1,25 15,002 0,14 2,53 15,003 0,14 1,32 22,504 0,14 2,75 22,505 0,14 1,23 30,006 0,14 2,75 30,007 0,27 1,34 15,008 0,27 2,62 15,009 0,27 1,35 22,510 0,27 2,47 22,511 0,27 1,33 30,012 0,27 2,53 30,013 0,29 1,34 15,014 0,29 2,56 15,0015 0.29 1.37 22.516 0,29 2,65 22,517 0,29 1,35 30,018 0,29 2,64 30,0vierte el metal lquido de forma manual, en el manguito de disparo . La extraccin de fundicin y la aplicacin de la pulverizacin de lubricante tambin se han hecho manualmente .Se estudiaron tres parmetros de inyeccin con las siguientes configuraciones: dos niveles de velocidad en la segunda etapa ( tiro rpido) , tres niveles de velocidad en la primera etapa (inyeccin lenta) y tres niveles de presin molesta. Estos parmetros se han seleccionado debido a la manipulacin y el control facilidad . En total, 18 combinationsweretried diferente, withthecastingoffivepartsforeachcombination , totalizando un importe de noventa muestras de fundicin a presin . Tambin era necesario para implantar un sistema de adquisicin de datos y control automtico en la mquina de fundicin a presin . Para esto, se utiliz una CPU para manejar la conexin , con analgico / digital (A / D) , fuente de alimentacin , transductor de presin , transductor lineal , motor de arranque , temporizador y software especfico .Experimento tiro lento(m / s ) disparo rpido(m / s ) Presin Malestar( MPa ) Densidad(g/cm3 ) Valoracin Porosidad(inspeccin visual ) Valoracin Porosidad(% De la superficie )1 0,14 1,25 15,0 2.678 1,6 0.0312 0,14 2,53 15,0 2.662 3,6 0.1673 0,14 1,32 22,5 2.675 0,4 0.0054 0,14 2,75 22,5 2.689 1,6 0.0215 0,14 1,23 30,0 2.707 0,2 0.0016 0,14 2,75 30,0 1,20 2,702 0,0187 0,27 1,34 15,0 2.673 1,6 0.0318 0,27 2,62 15,0 2.658 3,2 0.0759 0,27 1,35 22,5 2.700 0,6 0.01410 0,27 2,47 22,5 2.691 1,6 0.05411 0,27 1,33 30,0 2.703 0,2 0.02212 0,27 2,53 30,0 2.689 1,4 0.04113 0,29 1,34 15,0 2.688 0,2 0.02114 0,29 2,56 15,0 2,639 3 0,19715 0,29 1,37 22,5 2.702 0,2 0.03316 0,29 2,65 22,5 2.684 1,6 0.02717 0,29 1,35 30,0 2.700 0,8 0.01618 0,29 2,64 30,0 2.665 2,2 0.037Para la determinacin de la calidad de las piezas de fundicin a presin , se han utilizado tres criterios distintos . En el primero , se consider la inspeccin visual de la cantidad de porosidades . Se utilizaron cinco niveles de porosidad, desde el nivel 0 , ausencia de porosidad , al nivel 4 , el ms alto nivel de porosidades visibles. El segundo criterio utilizado fue la determinacin de la densidad , por el principio de Arqumedes , del mecanizadoTabla 2Los resultados obtenidos mediante la metodologa DOEregin parcial. El tercer criterio fue el anlisis cuantitativo del porcentaje porosidades en la cara de la pieza mecanizada , utilizando tcnicas fotogrficas y un software de anlisis de imagen . El programa experimental se muestra en la Tabla 1 .Los valores que se muestran en la Tabla 1 se eligieron con base de experimentos preliminares, en la que se establecieron los lmites mximos y mnimos de velocidad capaces de moldear piezas en el rango de trabajo de la mquina . Los valores ms grandes son los mximos qu del que no tenemos roca metal lquido fuera de la manga de inyeccin . Los valores ms pequeos son el mnimo que permite un llenado adecuado de la pieza.Las simulaciones se realizaron utilizando el mdulo de fundicin a presin de alta presin de la MAGMASOFT . Se han elegido para simular lo mejor y lo peor combinacin parmetros con respecto a calidad de la pieza .3 . Resultados y discusinLos valores medios de densidad y porosidades calificaciones obtenidas en los experimentos se muestran en la Tabla 2 , donde las combinaciones de parmetros para los que se obtuvieron los peores experimento ( 5 ) y el mejor experimento ( 14 ) estn en negrita.

La figura . 3 . Correlacin entre Puntuacin porosidad cuantitativa y evaluacin visual porosidad . ( a) la densidad ms baja ( 2.639g/cm3 ); mayor ndice de porosidad. ( b ) la densidad ms alta ( 2.707g/cm3 ); menor ndice de porosidad.Tabla 3Combinaciones de parmetros utilizados para las simulaciones por ordenador .Combinacin 1 : los peores resultados (experimento 14 )0,27 M disparo lenta / s2.6m tiro rpido / sPresin Malestar 15,0 MPaCombinacin 2 : mejores resultados ( experimento 5 )Shot Lento 0,14 m / sTiro rpido de 1,3 m / sPresin Malestar 30,0 MPaDe acuerdo con la Tabla 2, la combinacin de parmetros para los que se obtuvieron los mejores resultados corresponde a baja velocidad en los tiros rpidos y lentos y alta presin molesta , mientras que los peores resultados se produjeron a altas velocidades en disparos rpidos y lentos y de baja presin molesta. Estas observaciones estn de acuerdo con las previsiones tericas acerca de la influencia de la velocidad en los tiros lentos y rpidos en la formacin de porosidades . La utilizacin de alta velocidad en la primera como en la segunda fase aumenta la turbulencia en el metal lquido , causando la oclusin de aire por la parte delantera de llenado y la formacin de porosidades en piezas de fundicin a presin .En cuanto a la presin de malestar , la hiptesis de presiones ms grandes , con el fin de obtener la densidad ms eficaz en las partes , era confirmed.However , amoredetailedanalysisoftheexperiments resultsindicatedthatinseveralcombinations , especiallyinthosecon bajas velocidades en las primera y segunda fases del proceso de fundicin a presin , los valores intermedios de la presin malestar ( 22,5 MPa ) dieron como resultado buena calidad de las piezas .Malestar Theresultsshowedthatthediecastparametercombinationof presin 30.0MPa , la velocidad en baja 0.14m disparo / s y la velocidad de disparo rpido 1.23m / s como resultado piezas con densidades mayores. Se observaron cierra Sin embargo fros en algunas piezas obtenidas mediante esta combinacin de parmetros.Inicialmente la ocurrencia cierra fras se ha atribuido a bajas velocidades en el tiro rpido , que aumentan el tiempo de llenado , haciendo as que la temperatura del metal inferior durante el llenado parte . Con el fin de evitar que esto ocurra se ha propuesto y probado una velocidad intermedia en el tiro rpido ( 1,95 m / s ) . Este procedimiento elimina la ocurrencia de este tipo de defecto sin cambiar la formacin de porosidades .En general , se puede afirmar que los resultados de ambas tcnicas utilizadas para evaluar la calificacin de porosidades estn de acuerdo con los resultados de la densidad . En la figura . 2 , la ocurrencia de una correlacin del 79% entre la densidad y la calificacin visual de la porosidad se puede observar , mientras que en la figura . 3 el valor de correlacin es del 83 %. Estas observaciones indican que el criterio de evaluacin visual de la porosidad , que se utiliza en la escala de produccin , es eficiente , ya que una buena correlacinLa figura . 4 Regiones de piezas moldeadas que muestran : . ( A) porosidades cuando se utiliza la combinacin de parmetros peor y ( b) la parte sin porosidades relativos a la combinacin de parmetros mejor.La figura . Simulaciones de la fundicin a presin de llenado para el peor de los casos ( a) y la mejor ( b ) 5 . Parmetros combinacin .194 G.O. Verran et al. / Diario de Tecnologa de Procesamiento de Materiales 179 (2006) 190-195

La figura . 6 . Fundicin a presin y sin cierre en fro ( a) y con cierre en fro ( b).existe con criterios ms rigurosos , realizados en entornos de laboratorio.A partir de entonces , se realizaron simulaciones de llenado y solidificacin de la pieza de fundicin a presin , utilizando como entrada las combinaciones de matriz de parmetros elenco que dieron como resultado la mejor y la peor calidad , respecto a la presencia de porosidades y cierra fras (Tabla 3) .Se simul El relleno de la cavidad de molde para ambas combinaciones que se muestran en la Tabla 3 , con el fin de evaluar la tendencia de la formacin de porosidades , como una funcin de la distribucin de la presin de aire en la cavidad , durante este procesamiento . Cuanto mayor sea la presin de aire en la cavidad del molde , mayor ser la tendencia de la ocurrencia de porosidades en la pieza de fundicin .Simulationsofthetemperaturedistributionsinsidethecavity , en las etapas finales de la solidificacin , tambin se llevaron a cabo , con el fin de investigar la tendencia a la formacin de cierre en fro , debido a los cambios en la velocidad de disparo rpido .La figura . La figura 4 muestra los resultados combinados prcticos , con el peor de los casos ( Fig. 4a ) andbest ( figura 4b ) rendimiento, calificacin regardingtheporosities (Fig. 5 ) .

La figura . 7 Llenar simulacin de la fundicin a presin : . ( A) el uso de velocidades mayores y ( b ) el uso de velocidades ms pequeos , detalle ampliado muestra un enfriamiento ms grande del frente de llenado.La figura . La figura 6 muestra los resultados experimentales de la combinacin 1 , el mejor desempeo en cuanto a la ocurrencia de cierra fras (Fig. 6a ) , y de la combinacin 2 , en el que se produjo la formacin de cierra fras (Fig. 6b).Las imgenes obtenidas con las simulaciones de la distribucin de temperatura del metal en el aprendizaje de llenado molde final , fig. 7 , indican que , cuando se utiliza la fundicin a presin velocidades menores (combinacin 2 ) hay una mayor disminucin de la temperatura (Fig. 7b). La existencia de regiones con temperaturas inferiores a la temperatura de liquidus de la aleacin se puede observar , lo que aumenta la tendencia de fro defectos de cierre apariencia . En la figura . 7 se puede observar que el uso de mayores velocidades de colada de matriz resulta en una menor disminucin de la temperatura , eliminando as la aparicin de cierra fras .Thecomparisonbetweenexperimentalandsimulationresults showsthatbothareinagreementwiththeoreticalforecastsabout defectos theinfluenceofdiecastingparametersintheformationofporosities y cierra fras en las partes de fundicin a presin .4 . ConclusionesLas principales conclusiones de este trabajo son: los mejores resultados , en trminos de la calidad interna de la pieza de fundicin a presin fueron obtenidos con la utilizacin de la fundicin a presin baja velocidad en la toma lento ( 0,14 m / s ) , as como en el tiro rpido ( 1,33 m / s ) ; Los valores de densidad tienen una relacin directa con las presiones malestar : no mejoras significativas se verificaron cuando se aument la presin malestar de 22,5 a 30.0MPa ; la combinacin de parmetros que producen los mejores resultados fue aspeedinslowshotof0.14m / s , aspeedinfastshotof1.33m / s y una presin molesta de 30.0MPa ; los tres criterios diferentes para evaluar la calidad de las piezas de fundicin a presin presentan una buena correlacin entre s ; los resultados obtenidos de acuerdo con los datos de la literatura ; En otras palabras , los ndices de baja porosidad se relacionan con bajas velocidades de disparos lentas y rpidas y altas presiones trastorno ;la utilizacin de la metodologa del DOE ( diseo de experimentos ) result ser muy eficiente , en el anlisis de esteproblema ;simulaciones por ordenador estn de acuerdo con los resultados experimentales relativos a la influencia de los parmetros de fundicin a presin sobre la tendencia de los defectos porosidades y formacin cierra fros.Referencias[ 1 ] C.H.E. Tseng, D. R. Askeland , Estudio del proceso de llenado del molde EPC utilizando la velocidad y la masa metlica y balances de energa , AFS Trans . ( 1992 ) 520 .[ 2 ] F. Faura , J. Lpez, J. Hernndez, "Sobre la ley de aceleracin del mbolo ptimo en la fase de lanzamiento lento de la presin mquinas de fundicin , int . J. Mach . Herramientas Fabrica. 41 ( 2001 ) 173-191 .[ 3 ] G. Backer, M. Ranganathan , J. Heimsch , M. Mclaughlin , W. Kim, Simulacin de la inducida por flujo de gas de atrapamiento y sus efectos sobre la porosidad en aluminio Die Castings , Amrica del Norte Die Casting Transacciones asociacin, Indianpolis, EE.UU. , 2001 , pp 44-53 .[ 4 ] F. L. Wang , T. Nguyen , M. Murray, Simulacin del patrn de flujo y temperatura Perfil en la manga de inyeccin de alta presin Die proceso de fundicin , NorthAmericanDieCastingAssociationTransactions , Indianpolis, EE.UU. , 2001 , pp 4-13.[ 5 ] L.W. Garber , un nomograma para la determinacin de viajes disparo lento , Die Cast. Eng . 17 ( 1973 ) 75-84 .[ 6 ] Y. Karni , Optimizacin de las variables del proceso de fundicin a presin , en : Actas de la 17a Internacional Die Casting Congreso y Exposicin (Papel GT93 -018 ), 1993 .[ 7 ] T. C. Tszeng , Y. Chu, Un estudio de la formacin de olas en tiro de la manga de una Mquina Die Casting (Informe MS-ERC/NSM-C-92-01 ) , la Universidad Estatal de Ohio, Facultad de Ingeniera, Columbus, OH, 1992 .Velocity [ 8 ] R. Karban Jr., Los Efectos de la presin de Intensificacin , Puerta de velocidad e Intermedios Tiro a la calidad interna de aluminio Die Castings , Amrica del Norte Die Casting Transacciones asociacin, Indianpolis , EE.UU. , 2001 , pp 1-10 .[ 9 ] G. Savage, M. Greshenzenzon , K.J. Rogers, El papel de la presin en la fundicin a presin de alta presin , de Amrica del Norte Die Casting Transacciones asociacin, Indianpolis, EE.UU. , 2001 , pp 1-3 .[ 10 ] G. P. Syrcos , Fundicin optimizacin de procesos utilizando mtodos Tagushi , J. Mater . Proceso . Technol. 135 (2003) 68-74 .[ 11 ] G. Taguchi , Introduccin a la Ingeniera de Calidad, Organizacin Asitica de Productividad , UNIBUP , White Plains, NY, 1986 .[ 12 ] D. M. Byrne , S. Taguchi , El enfoque de Taguchi para el diseo de parmetros, Qual.Prog . ( 1987 ) 19-26 .1