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matemáticas en los pistones...

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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO

CÁLCULO Y DISEÑO DE UN PISTÓN DE ALUMINIO

TESIS PROFESIONAL

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO MECANICO

PRESENTAN: ENRIQUE SÁNCHEZ CAMARGO

DIRIGIDA POR: ING. FELIPE DE JESUS GARCIA MONROY

DICIEMBRE, 2010

CÁLCULO Y DISEÑO DE UN PISTÓN INDICE Objetivo……………………………………………………………………………………………………………………………………………..3 Justificación……………………………………………………………………………………………………………………………………….4 Introducción……………………………………………………………………………………………………………………………….….….5 CAPITULO I 1.1 La forma del pistón ……………………………………………………………………………………………………………………6 1.2 Pistones para motores de encendido por chispa…..…………………………………………………………………9 1.1.2 Aumento del régimen.……………………………………………………………………………………………………………10 1.1.3 Montaje del pistón….………………………………………………………………………………………………………………11 1.2 Pistones y partes complementarias en un motor….…………………………………………………………………12 1.3 Partes del pistón.………………………………………………………………………………………………………………………15 1.4 Materiales.…………………………………………………………………………………………………………………………………17 1.5 Pistones de gasolina……………………………………………………………………………………………………………….…19 1.5.1 Proceso de maquinado de un pistón.……………………………………………………………………………………20 1.5.2 Proceso de fundición………………………………………………………………………………………………………………21 1.5.3 Tolerancias en modelos. ……………………………………………………………………………………………………….21 1.5.4 Fundición a presión.………………………………………………………………………………………………………………21 1.6 Tratamientos…………………..…………………………………………………………………………………………………………22 1.7 Transporte…………………………..………………………………………………………………….…………………………………23 1.8 Mantenimiento………………………………………………………………………………………….………………………….……24 1.8.1 Hornos…………………………………………………………………………………………………………………………….………25 1.9 Máquinas para Hacer Moldes y Máquinas para Inyectarlo………………………………………………………26 1.9.1 Fundición a presión en cámara caliente……………………………………………….………………………………28 1.9.2 Desventajas y Ventajas de la cámara caliente sobre la cámara fría……………………………………29 1.9.3 Fundición a presión en cámara fría-………………………………………………………..……………………………29 1.9.4 Desventajas y Ventajas de la cámara fría sobre la cámara caliente……………………………………34 1.9.5 Material para la fabricación del pistón……………………………………………………….…………………………34 Sumario del capítulo I…………………………………………………………………………………………….………………………35

CAPITULO II 2.1 Calidad de la fundición………………………………………………………………………………………………………………36 2.1.1 Defectos de calidad en el producto………………………………………….……………………………………………36 2.1.2 Consideraciones para el diseño de productos………………………………………………………………………39 2.2 Programas a utilizar……………………………………………………………………….…………………………………………40 2.3 Ciclo de moldeo………………………………………………………………………………..………………………………………44 2.3.2 Las partes que forman a una máquina de inyección……………………………………………………………46 2.3.4 Temperaturas………………………………………………………………………………….…………………………………….46 2.3.5 Velocidades…………………………………………………………………………….……………………………………………..47 2.3.6 Presiones………………………………………………………………………………………………………………………………..48 2.3.7 Distancias……………………………………………………………………………………………………………………………….49 2.3.8 Tiempos………………………………………………………………………………………………………………………………….59 2.4 Unidad de cierre…………………………………………………………………………………..……………………………………50 2.4.1 Partes del modelo………………………………………………………………………………………………………………….51

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CÁLCULO Y DISEÑO DE UN PISTÓN CAPITULO III 3.1Sistema de Ventilación………………………………………………………………….………………………………………….53 3.2 Diseño Mecánico de molde de inyección ………………………………………………………………………….….…54 3.3 Deformación del molde ……………………………………………………………………………………………………………56 3.4 Sistemas de resortes equivalentes……………….………………………………………………………………………...56 3.5 Calculo de las paredes y cavidades ……………………………………………….……………………………………….57 3.6 Sistemas de expulsión………………………………….……………………………….………………………………………..59 3.7 Diseño de placas………………………………………………………………………….……………………………………..……64 3.8 Retorno de la placa de expulsión…………………………………………………….………………………………………67 3.9 Alineación de moldes………………………………………………………………………….…………………………………...71 3.10 Alineación interna……………………………………………………………………………….……………………………….…72 3.11 Selección de maquinaria para la inyección a presión en aluminio ……………………………………...75 3.12 Especificaciones técnicas………………………………………………………………………………………………………..76 CAPITULO IV 4.1 Cálculos…………………………………………………………………………………………………………………………………….77 4.2 Selección de pernos y camisas ……………………………………………………………………………………………….82 4.3 Costos de fabricación ………………………………………………………………………………………………………………83 4.4 Tiempo de fabricación ……………………………………………………………………………………………………………..91 4.5 Mantenimiento de molde …………………………………………………………………………………………………………92 Conclusión……….……………………………………………………………………………………………………………………………..96 Glosario……………….………………………………………………………………………………………………………………………….97 Referencias……………………………………………………….…………………………………………………………………………….99 ANEXO 1 Diagrama de procesos. ANEXO 2 Dibujos de la pieza.

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CÁLCULO Y DISEÑO DE UN PISTÓN OBJETIVO

Estudiar y diseñar un molde para la inyección a presión en Aluminio y conocer sus ventajas y desventajas de sus aleaciones; con el fin de poder realizar la inyección de ciertos modelos en serie y realizarlos de manera más rápida y eficiente en comparación al vaciado de metales. La idea principal es emular un molde de inyección en aluminio para un pistón de diámetro y cilindrada de medidas estándar y que a su vez cumpla con las tolerancias requeridas sin necesidad de maquinar el producto final; y así poder ahorrar tiempo en la producción masiva de pistones y su vez que el costo de esta parte del motor se reduzca considerablemente. Grandes empresas necesitarían evaluar el proyecto y ver su viabilidad, sin embargo con el uso de Software de precisión y el estudio del proyecto, asegurarán un éxito en el mismo.

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CÁLCULO Y DISEÑO DE UN PISTÓN JUSTIFICACION Se realizara la simulación de un molde para la inyección de Aluminio para pistones de cilindrada común (1800 cc.) de alta compresión con el fin de realizar un cambio relativamente barato a cualquier automóvil; de manera rápida y con grandes beneficios. Desde el diseño en general de la cabeza del pistón hasta el diseño y necesidades del molde para su producción en serie. Esto haría que cualquier pistón pudiera contar con las tolerancias requeridas y menor tiempo de acabado y maquinado, ahorrando así varios procesos y tiempo. Si se dispone de una sola o incluso dos máquinas de inyectar no se justifican la inversión en una fusión independiente y se recurrirá a un horno fijo con potencia suficiente para fundir y capacidad dependiendo del tamaño de máquina. La industria de producción en pistones se encuentra en un largo proceso en el vaciado y maquinado de los pistones para motores a gasolina y diesel, así como otras aplicaciones náuticas y en motores pequeños; ya que éstos requieren tolerancias de milésimas de pulgada para compensar la detonación del combustible y proporcionar un buen sellado y duración del motor. Sin embargo este proceso sigue siendo el mismo, cambiando solo la automatización de varios procesos o bien el forjado de pistones, sin embargo eleva mucho su costo de producción. Si se logra obtener el molde de inyección de aluminio, se podría inyectar en minutos, con un acabado requerido. Además que aumentaría notablemente su producción y disminuyendo costos debido a la gran demanda que habría en el repuesto de los pistones a motor común.

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CÁLCULO Y DISEÑO DE UN PISTÓN INTRODUCCION México está experimentando los grandes cambios que se están dando en el mundo, razón por la cual las empresas nacionales deben actualizar su tecnología, mentalidades y mejorar sus servicios, pero sobre todo trabajar con un objetivo claro y definido para ofrecer productos y servicios con “Calidad y a bajos costos”. Debido a la actual situación económica que vive las empresas mexicanas resulta difícil la adquisición de maquinaria moderna, es por esto que la utilización de la maquinaria existente será inevitable en muchos de los casos. Sin embargo existen muchos procesos los cuales son requeridos y no existe opción. Por lo que es necesario adaptar esta maquinaria a las necesidades deseadas. El presente documento se ha desarrollado procurando ser una propuesta de solución a la problemática por los tiempos muertos ocasionados por el vaciado de pistones y su manufactura en serie. El origen del pistón puede remontarse al del cañón: de hecho, en esta máquina el proyectil (inicialmente esférico y luego cilíndrico) es conducido por la caria y empujado por la elevada presión de la explosión. Los primeros intentos de un motor de combustión interna en el siglo XVI se basaban en el cañón, puesto que usaban como combustible pólvora negra.

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CAPITULO I 1.1 La forma del pistón. Tomado de la referencia En el pistón pueden distinguirse 4 partes principales: la cabeza, que recibe el calor Y el impulso de los gases de combustión; la zona de los aros, que por medio de los segmentos asegura la retención de los gases y del aceite de lubricación y al mismo tiempo disipa una parte del calor recibido; los alojamientos del bulón mediante el cual se une el pistón a la biela, y la falda, cuya función consiste en guiar el pistón en su movimiento dentro del cilindro y ceder el resto del calor al fluido de refrigeración (aire o agua). El pistón está definido por las siguientes dimensiones fundamentales: D=diámetro; L = longitud total; B = cota de compresión; D = diámetro del bulón. La cota de compresión tiene cierta importancia, puesto que suministra la posición del plano de la cabeza en el punto muerto superior y, consiguientemente, el volumen útil de la cámara de combustión. En otros términos, influye sobre la relación de compresión que se deduce del cociente entre la suma de la cilindrada y el volumen de la cámara de combustión dividido por este último. En la zona porta segmentos, los alojamientos de los segmentos se obtienen mediante torneado. En tiempos no muy lejanos podían contarse hasta 5 alojamientos; en la actualidad, dada la eficiencia de los segmentos, éstos se han reducido a 3 para los pistones de motores de turismo comunes y a 4 para los de motores Diesel. El primer alojamiento, comenzando por arriba, aloja un segmento de retención; el segundo (o el segundo y el tercero) puede incluir un segmento rascador con rebaje, o bien, un segmento de retención y otro con rebaje; el último alojamiento lleva un segmento clásico recogedor de aceite, con ranuras, que tiene la función de recuperar una parte del aceite de lubricación lanzado contra las paredes del cilindro. No todo el aceite es retenido por el segmento correspondiente en su carrera de bajada; una parte permanece y sirve para mejorar las condiciones de rozamiento de los demás segmentos. La función del primer segmento es bloquear la parte residual de aceite que sube hasta él. Un hecho bastante curioso, pero que tiene razón de ser, es que la última aleta, es decir, la porción comprendida entre los 2 segmentos finales, tiene 1 mm menos de diámetro, aproximadamente, que las demás; esto tiene como finalidad crear un espacio regulador, donde se forma un anillo líquido que retarda la marcha del aceite hacia arriba y produce una zona de retención más.

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Las aleaciones de aluminio empleadas normalmente para la construcción de pistones pueden clasificarse en 3 categorías: aluminio-cobre, aluminio-cobreníquel (o hierro) y aluminio-silicio. Las aleaciones más empleadas son las últimas, puesto que ofrecen óptima resistencia mecánica y coeficiente de dilatación bajo, junto con elevado coeficiente de conductibilidad térmica. Además de éstas, existen aleaciones de aluminio al cobre, al silicio y al magnesio adecuadas para pistones estampados en prensa, de resistencia mecánica elevada. Estas aleaciones sirven, sobre todo, para construir pistones para motores de competición y de aviación. Actualmente el doctor Fernando Audebert, investigador del Conicet y director del Grupo de Materiales Avanzados de la Facultad de Ingeniería de la UBA (Universidad de Buenos Aires). Trabajando con un equipo de la Universidad de Oxford y con una becaria, Audebert desarrolló una aleación de ALUMINIO que contiene núcleos de cuasicristales icosaédricos nanométricos (es decir, de mil millonésimas de metro) que le confieren al aluminio una resistencia mecánica superior a la que poseen el titanio y algunos aceros sometidos a altas temperaturas.

Fig. 1.2 El doctor Fernando Audebert, con un pistón fabricado con el aluminio superresistente.

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En los motores de combustión interna, se confían al pistón las siguientes funciones: transmitir al cigüeñal, a través de la biela, los impulsos producidos por los gases de combustión; garantizar la retención de los gases y del aceite de lubricación, y transmitir al cilindro el calor que recibe de los gases. La primera función está relacionada esencialmente con su resistencia mecánica y es una de las principales consideraciones que el diseñador debe tener en cuenta al proyectar los grosores y al elegir el material. La segunda función (retención de gases) permite utilizar toda la energía producida en el momento de la combustión y evita que los gases, al pasar al cárter, quemen el aceite y provoquen el gripado o el encolado de los segmentos. La retención del aceite es necesaria, además de para limitar el consumo, para evitar depósitos de carbonilla entre las aletas y en la cámara de combustión; estos últimos pueden provocar el preencendido por puntos incandescentes e incluso perforar el pistón. Las dimensiones de la falda y de las aletas contribuyen a garantizar la retención, puesto que, por encima de ciertos valores de juegos de acoplamiento entre el pistón y el cilindro, el sistema no puede funcionar, por el peligro de gripado, por lo que dicha función se confía sobre todo a los segmentos.

La tercera función (disipación del calor) favorece el mantenimiento de las características mecánicas del material, reduce el peligro de trabamiento de los segmentos y el desgaste de los alojamientos. La gama de los tipos de pistones, diferentes por su forma, sus funciones y dimensiones, es muy amplia. Cada motor tiene su pistón. De todos modos, puede aceptarse una subdivisión en dos grandes clases, cada una de las cuales agrupa subtipos con características definidas.

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CÁLCULO Y DISEÑO DE UN PISTÓN 1.1.1 Pistones para motores de encendido por chispa. Tomado de la referencia . Son los pistones que se emplean preferentemente en los motores de 4 tiempos y de 2. Su diámetro va desde 30-70 mm para las motocicletas hasta 52-110 mm para los automóviles. Pueden construirse de varias formas: la cabeza, por ejemplo, puede ser plana, cóncava o convexa. Puede presentar rebajes circulares en correspondencia con la posición de las válvulas de admisión y de escape. La cabeza de los pistones Citröen es especial, puesto que tiene un resalte asimétrico de forma no definible geométricamente. Estas diferentes cavidades representan la investigación continua de los proyectistas para conseguir una combustión completa y, por tanto, un menor porcentaje de gases no quemados en el escape. También puede hacerse otra distinción tomando en consideración las diferentes técnicas de construcción ideadas para controlar la dilatación térmica. Dichas técnicas representan la evolución máxima del pistón.

Figura 1.1 Pistón a 4 tiempos con 4 válvulas en TOC (Todas las válvulas cerradas)

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1.1.2 Aumento del régimen (10.000 carreras por minuto). Tomado de la referencia . Las causas del desgaste del pistón son de 3 tipos: rozamiento con el cilindro, acción abrasiva producida por pequeñas partículas y efecto corrosivo de los productos de la combustión, que son ácidos fuertes (pH = 2) durante el funcionamiento a temperaturas bajas (arranque en frío). Los remedios para disminuir al mínimo los efectos de estas causas son: reducción de la fuerza transversal, obtenida descentrando el bulón respecto al diámetro del pistón, y disminución del coeficiente de rozamiento mediante el mantenimiento de una capa de aceite lubricante. Este último factor se consigue tanto eligiendo la mejor combinación de los tipos de segmentos como conjugando los valores de rugosidad de las superficies de contacto. Por regla general, acabados bastos dan mejores resultados, puesto que, una vez efectuado el rodaje, los surcos profundos ofrecen aún buenos alojamientos de permanencia del aceite (rugosidad media de 0,9 li para los cilindros y de 2,5 li para los pistones). En especial, para evitar que los surcos se conviertan en canales que se dirijan hacia la cámara de combustión y que, por consiguiente, faciliten el paso del aceite, se suele rectificar la superficie del cilindro de manera que se obtengan hélices entrecruzadas con ángulos de 1200. La duración del pistón depende esencialmente de la calidad del material utilizado y de los tratamientos térmicos a que ha sido sometido. Durante el funcionamiento, el pistón produce ruido, puesto que su movimiento no es perfectamente rectilíneo, sino que se compone de un desplazamiento transversal, que le hace chocar con el cilindro, y de una rotación alrededor del eje del bulón, que le hace tocar alternativamente con la cabeza y con la base de la falda. Otro ruido se debe al juego de los apoyos con el bulón. La disminución del ruido puede conseguirse dando a la falda una forma bombeada y oval. Durante el funcionamiento del motor, las presiones y las fuerzas de inercia que actúan sobre el pistón dan una componente transversal dirigida hacia un lado durante las fases de expansión y de admisión, y en sentido opuesto durante la compresión y el escape.

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1.1.3 Montaje del pistón. Tomado de la referencia En la actualidad es posible montar pistones que realizan en frío juegos diametrales de 0,03-0,05 mm que en caliente se reducen aproximadamente el 30 %. El montaje del pistón en el cilindro debe efectuarse tras una limpieza escrupulosa del cilindro con petróleo o con -aceite lubricante muy fluido, la introducción del pistón se efectúa empleando una herramienta apropiada para el cierre de los segmentos, empujando manualmente el pistón sin golpear sobre la cabeza, porque podría provocarse la rotura o el agrietamiento de los segmentos. Es muy importante la elección de las dimensiones efectivas del pistón (en el caso de substitución) en función del diámetro del cilindro para volver a conseguir el juego mínimo de funcionamiento establecido por el fabricante. Los segmentos se montan, comenzando por arriba, en el orden siguiente: un segmento de retención rectangular con superficie cromada o molibdenada; un segmento de doble función de retención y rascador de aceite de sección trapecial, con superficie de deslizamiento inclinada aproximadamente medio grado respecto a la superficie del cilindro; un segmento rascador de aceite con escalón; y, finalmente, un segmento recogedor de aceite con ranuras circunferenciales para descargar el aceite en el interior. Para realizar un buen montaje es necesario que la sigla TOP, situada próxima a la apertura, esté dirigida siempre hacia arriba. La inversión del sentido, aunque no sea más que en un solo segmento, puede provocar un elevado consumo de aceite. Otra cosa importante es que el montaje del segmento no debe realizarse ensanchándolo demasiado, puesto que podrían producirse deformaciones permanentes que comprometerían la funcionalidad.

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CÁLCULO Y DISEÑO DE UN PISTÓN 1.2 PISTONES Y PARTES COMPLEMENTARIAS EN UN MOTOR. Tomado de la referencia Un motor de gasolina quema gasolina y obtiene energía térmica. El medio por el cual esta energía térmica es convertida a potencia es a través de los pistones, bielas y cigüeñal. Los movimientos de los pistones para arriba y abajo generados por la presión de la combustión son convertidos por el cigüeñal, vía las bielas, a movimientos rotatorios, de este modo llega la potencia que puede ser utilizada para mover el vehículo. El pistón recibe la presión de la combustión y funciona para transmitir esa energía al cigüeñal vía la biela, al igual que para empu...