Fabricacion Biela 1z1f3a

Facultad de ciencias exactas Ingeniería y agrimensura U.N.R

ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA

CATEDRA: TITULO

Alumno: GARCÌA, Santiago

Profesor:

Legajo: G-4696/5

Fecha:

ELEMENTOS DE MAQUINAS

Año: 2010

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TABLA DE CONTENIDOS Marco teórico:....................................................................................................................................................2 Análisis Mecanismo:....................................................................................................................................3 Análisis Biela Mercedes-Benz OM 611 LA:.....................................................................................................4 Descripción macroscópica:.........................................................................................................................4 Análisis de esfuerzos:..................................................................................................................................5 Estudio metalúrgico: ...................................................................................................................................8 Conclusión:.................................................................................................................................................10 Selección del material:....................................................................................................................................11 Templabilidad:............................................................................................................................................11 Maquinabilidad:..........................................................................................................................................11 Composición química:...............................................................................................................................12 Propiedades Mecánicas:............................................................................................................................13 Disponibilidad:............................................................................................................................................14 Fabricación:......................................................................................................................................................14 Forja:...........................................................................................................................................................14 Normalizado:...............................................................................................................................................16 Temple y Revenido:....................................................................................................................................18 Hornos:........................................................................................................................................................19 Mecanizado:................................................................................................................................................19 Conclusión:......................................................................................................................................................21 Bibliografía:......................................................................................................................................................22

Marco teórico: Biela: La biela es una pieza interna de un motor de combustión interna. Su función es conectar el Pistón al cigüeñal, se diseñan con una forma específica para conectarse entre las dos piezas. Su sección transversal o perfil puede tener forma de H, I o +. El material del que están hechas es de una aleación de acero, Titanio o Aluminio. En la industria automotor todas son producidas por forjamiento, pero algunos fabricantes de piezas las hacen mediante maquinado.

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Autor: PEREZ, Juan Carlos


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Análisis Mecanismo: Como se puede ver en el diagrama el mecanismo interno de un motor esta compuesto por 4 elementos fundamentales. (1) el block que se mantiene estático,(2) el cigüeñal que mantiene un movimiento de rotación , (3) la biela que mantiene un movimiento de traslación en su parte superior y de rotación en su parte inferior y (4) el pistón que mantiene un movimiento de traslación.

Un motor de ciclo diesel consta de seis procesos, dos de los cuales no participan en el ciclo termodinámico del fluido operante pero son fundamentales para la renovación de la carga del mismo: 1.

Fase de isión entra aire puro en el motor.

2.

Proceso de compresión de la masa fresca en el motor, en el que en el pistón, estando en el punto muerto inferior (PMI), empieza su carrera de ascenso, comprimiendo el aire contenido en el cilindro

3.

Combustión, es el elevamiento súbito del estado termodinámico del fluido, en realidad debido a la energía química liberada en la combustión, y que en este modelo ha de interpretarse como un calor


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que el fluido termodinámico recibe, y a consecuencia del cual se expande en un proceso isóbaro reversible. 4.

La expansión se produce a consecuencia del elevado estado termodinámico de los gases tras la combustión, que empujan al pistón desde el PMS hacia el PMI, produciendo un trabajo

5.

Ultima etapa, esta etapa es un proceso isocorico (escape) es decir a volumen constante. Desde la presión final de expansión hasta la presión inicial de compresión.

6.

Fase de escape, los gases resultantes son expulsados.

Durante dichas etapas el mecanismo sufre diferentes cargas y en diferentes ángulos pero existe un punto donde hay una carga máxima, en ese punto se tomaran los datos para analizarlos posteriormente.

Análisis Biela Mercedes-Benz OM 611 LA: Descripción macroscópica:

En una primera observación, la biela presenta una dimensión aproximada de unos 210 mm, posee un acabado superficial rugoso propio de la forja en caliente, la zona del casquillo asociada al cigüeñal presenta Archivo: 105364276.doc

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una tonalidad más oscura por lo que podríamos suponer que la pieza estuvo sometida a altas temperaturas durante su funcionamiento. La fractura en la cabeza de la biela presenta una deformación plástica considerable, se nota un arrastre del material en la zona del casquillo por lo que podría haberse producido la soldadura de la biela y el cigüeñal en el momento de la falla. La fractura en la zona del sombrerete presenta un aspecto desgarrado de carácter dúctil.

Análisis de esfuerzos: Cuando el pistón se encuentra comprimiendo la mezcla 10° antes para llegar al PSM como el combustible de un motor Diesel tiene que ser muy auto inflamable antes de que haya terminado la inyección de todo el combustible, las primeras gotas de combustible inyectado se auto inflaman y dan comienzo a una primera combustión. Posteriormente, se da, sobre la masa fresca que no ha sido quemada, una segunda combustión, llamada combustión por difusión, mucho más pausada y perfecta, que es la que aquí se simplifica por un proceso isóbaro, cuando llegue al PSM esta fuerza explosiva que se está liberando se comprime, debido a las fuerzas inerciales el mecanismo sigue avanzando, al encontrarse a 10° después del PSM es cuando toda la fuerza es liberada.

Formulas y cálculos de las fuerzas: Para saber cuanto es la fuerza que produce la combustión hay que tener en cuenta los siguientes factores 1.

Relación de compresión: Para obtener la relación de compresión se divide al volumen total del cilindro sobre el volumen de la cámara de combustión

2.

La presión atmosférica a nivel del mar P = 1 Kg / cm^2

3.

Área del pistón

El primer paso es multiplicar la presión atmosférica por la relación de compresión, puesto que esta es la cantidad de veces que se comprime la presión atmosférica en la cámara de combustión

Cuando la mezcla detona se produce un aumento de presión de 3 a 5 veces

Después de encontrar la presión ejercida podemos despejar la fuerza sobre la biela


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Ficha técnica motor:

Esfuerzos y tensiones: Los principales esfuerzos que sufre la biela son de flexión compuesta en el momento de la carga máxima al explotar la mezcla combustible (expansión del ciclo), la compresión estaría dada por la componente de la fuerza sobre el eje longitudinal de la biela, y la flexión por la componente transversal a la misma, y lo mismo con el par reactivo proporcionado por la carga a través del cigüeñal al oponerse al movimiento. Además la biela sufre un esfuerzo de compresión nuevamente en la etapa de compresión de la mezcla. Debido a que la carga sobre la biela no se aplica estáticamente (es producto de una explosión) la biela esta sometida a impacto. Además dicha carga es del tipo intermitente por lo tanto esta presente el fenómeno de fatiga.

A partir de la teoría desarrollada se logro determinar la carga máxima aplicada sobre la biela.

F= 11090.14 N

Realizando un relevamiento simplificado de la biela se pudo obtener un modelo CAD de la misma, con dicho modelo se realizo un estudio FEM, obteniendo una estimación de las zonas mayormente solicitadas

Tensiones Von Mises


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Desplazamientos


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Se puede observar que la zona de mayores esfuerzos se encuentra próxima al pie de la biela y no en la zona de la falla de la misma.

Estudio metalúrgico: Micrografías: Para el estudio metalúrgico se tomó una muestra próxima al pie de la biela, dado que dicha zona no presentaba signos de sobrecalentamiento en el funcionamiento. Se realizó un corte frontal y otro transversal para la observación de la microestructura del material.

Corte Transversal Corte Longitudinal

Corte Longitudinal x100

Corte Longitudinal x400


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Corte Transversal x100

Corte Transversal x 400

Corte Longitudinal x400 SIN ATACAR En las micrografías podemos observar una estructura Ferrito-Perlitica con aproximadamente un 90% de Perlita de la cual un 20% es Perlita resuelta y un 10 % de Ferrita libre intergranular. Se tiene un TG fino ASTM 9 Hay una importante presencia de inclusiones que por su forma y tonalidad gris paloma se determina que las mismas son sulfuros, se puede apreciar la predisposición de la ferrita a nuclear en la zona de los sulfuros. La pieza no presenta descarburaciones superficiales ni defectos de forja.

Microdureza: Se realizó un ensayo de microdureza vikers en la pieza, los resultados obtenidos en el mismo fueron: HV1=286 HV1=285 HV1=289 Promediando los tres resultados obtenemos HV1=287 Se puede determinar a partir de dicho valor una aproximación de la resistencia a la tracción y de la dureza en la escala HRc Dureza HRc =30 Archivo: 105364276.doc

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Resistencia a la tracción = 96,9 Kg/mm^2

Conclusión: Causa de la falla: A partir de los ensayos realizados y de la determinación de los esfuerzos a los cuales está sometida, podemos decir que en dicha pieza no se encontraron problemas con el diseño ni con el material de la misma. Por lo tanto se podría considerar que el elemento el cual ocasionó la falla es ajeno a la misma, dicho elemento podría ser una interrupción en el caudal de lubricación produciendo esto un fuerte aumento del rozamiento entre el casquillo y el cigüeñal provocando la destrucción del mismo, quedando de esta forma en o directo la cabeza de la biela con el cigüeñal pudiendo ocasionarse una soldadura entre el cigüeñal y la biela debido a las altas temperaturas alcanzadas por la falta de lubricación y la presión entre ambas piezas logrando así que ambas piezas se agarren y por la propia fuerza del motor se produzca la rotura.

Determinación Material: El material con el cual fue fabricado la pieza podría ser un acero microaleado al Vanadio, Titanio y Neobio. Los aceros microaleados con V tienen una estructura de grano fino, un moderado endurecimiento por precipitación y una mayor resistencia mecánica que un acero con % de C similar. El Nb causa un pronunciado refinamiento de grano y un moderado endurecimiento por precipitación bajo un tratamiento termomecánico (laminación, forja). La microaleación con Ti produce un gran aumento de la precipitación de carburos pero un moderado refinamiento de grano. Estos aceros permiten realizar una forja controlada manteniendo un tamaño de grano fino (ASTM 9 / 10), al poseer un TG tan pequeño se produce un aumento del límite elástico y la dureza pero sin disminuir la tenacidad.

La presencia de precipitados en la ferrita produce un endurecimiento de la misma, aumentado así la resistencia a la fatiga, permitiendo que esta fase pueda estar presente sin que en ella se produzca una pequeña fisura donde se comience dicha falla.


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La utilización de este tipo de aceros produce una disminución de costos dado que al realizar una forja con un TG controlado (ASTM 9/10) y no ser necesario un templado y revenido para que el material posea la resistencia necesaria, se ahorra tiempos importantes tanto de producción como de hornos y calentamiento.

Selección del material: Templabilidad: El material a utilizar debe ser apto para forja. A partir de un estudio de la geometría de la pieza se determina como diámetro equivalente 20mm, por lo tanto el acero a utilizar debe poder ser templado hasta el núcleo con un 50% de Ms y un 90% de Ms en 0.8 r/R para poseer resistencia a la fatiga. A partir del pre-cálculo realizado por medio de las curvas de lamont se determinan los posibles aceros a utilizar. De la norma IRAM obtenemos las características de templabilidas de dichos aceros Pre-Seleccionados: •

IRAM 4140:

•

IRAM 8640

•

IRAM 1541

Maquinabilidad: Definición: Indica la aptitud del material para ser mecanizado. Para tener una buena maquinabilidad, el acero debe ser blando no abrasivo y tener viruta corta que se desprenda fácilmente. Son especialmente aptos los aceros con contenidos significativos de plomo y/o azufre, aunque presentan cierta fragiIidad y no son buenos para soldar. La maquinabiIidad de un acero es valorizada por comparación con el acero 1212, considerado 100% mecanizable (cabe hacer notar la existencia de aceros con maquinabilidad superior al 100%).


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IRAM 4140

•

IRAM 8640

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IRAM 1541

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Composición química: •


IRAM 4140:

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IRAM 8640

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IRAM 1541

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Propiedades Mecánicas: •

IRAM 4140

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IRAM 8640


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IRAM 1541

Disponibilidad: De los aceros pre-seleccionados el de mayor disponibilidad es el 4140 fabricado en Acindar, los demás tienen disponibilidad a pedido en acerías de aceros especiales o por importación. Algunas de estas acerías pueden ser: Acería 4C S.A , Acería Berrisso S.A, Acería Sauce Viejo S.A, entre otras

Fabricación: Forja: Estas bielas son generalmente fabricadas por un procedimiento de forjado en caliente o en medio caliente que comprende varias etapas que consisten particularmente en la fabricación de una pieza pre-desbastada por laminado de una palanquilla previamente calentada a una temperatura apropiada, en la estampación o el matrizado de la pieza pre-desbastada y en una operación de mecanizado de los orificios calibrados de la cabeza y del pie para obtener una biela en bruto. La temperatura de calentamiento según norma IRAM es: •

IRAM 4140 de 1000ºC a 1200ºC

•

IRAM 8640 de 1000ºC a 1200ºC

•

IRAM 1541 de 1000ºC a 1230ºC

Procedimiento: Procedimiento de fabricación de una biela forjada (1) que comprende una cabeza (2), un cuerpo (5) y un pie (6), presentando la indicada cabeza (2) y el mencionado pie (6) espesores diferentes a partir de una pieza desbastada (10) que incluye la misma una cabeza (11), un cuerpo (12) y un pie (13), caracterizado porque: se forma la pieza desbastada (10) por corte transversal de un perfil (15) que presenta una sección transversal correspondiente al perfil de la indicada pieza desbastada (10), se coloca la pieza desbastada así formada en un molde cerrado (22) de una matriz inferior (21) de un juego de matrices (20) de acabado que comprende una matriz superior (23) que forma punzón, presentando la indicada matriz superior (23) unos radios de conexión de las superficies comprendidos entre 0,5 y 1,5 mm y deslizándose en la matriz inferior (21) con un juego comprendido entre 0,3 y 0,05 mm y el molde (22) de la matriz inferior (21) que presenta una pendiente de eyección comprendida entre 0,5 y 3º, - se realiza en el indicado juego de matrices (20) una etapa de acabado mediante un reparto del material longitudinalmente, transversalmente y en espesor de la Archivo: 105364276.doc

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pieza desbastada para obtener una biela bruta y - se realiza un orificio calibrado (3) en la cabeza y un orificio calibrado (7) en el pie de la biela bruta para obtener la biela forjada (1).


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Después del proceso de forjado se realiza la quita de la rebaba y la quita el oxido que pueda tener la misma para poder realizar los TT correspondientes.

Normalizado: Debido a la estructura grosera con un tamaño de grano muy grande que obtenemos después de la forja, se debe realizar un normalizado para obtener un TG adecuado tanto para cualquier mecanizado que sea necesario como para el proceso de temple. Durante el calentamiento en el normalizado se realiza un precalentamiento hasta los 400ºC para evitar deformaciones y tensiones durante el calentamiento La temperatura de calentamiento se obtiene de la norma IRAM y corresponde a: •

IRAM 4140 de 870ºC a 925ºC

•

IRAM 8640 a 870 ºC

•


El tiempo de permanencia a dicha temperatura (una vez alcanzada en toda la pieza) para la austenizacion, puede obtenerse por formulas empíricas, tomando como diámetro equivalente D=20mm t=20 + D/2 = 30 minutos

Ciclo Normalizado


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Curva Tratamiento: •

IRAM 4140

La velocidad de enfriamiento debe ser de 2ºC/seg a 5ºC/seg y esta debe ser controlada hasta los 600ºC •

IRAM 8640

La velocidad de enfriamiento debe ser de 3ºC/Seg a 6ºC/seg y esta debe ser controlada hasta los 650ºC


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•

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IRAM 1541

La velocidad de enfriamiento debe ser de 4ºC/seg a 7ºC/seg y esta debe ser controlada hasta los 600ºC

Temple y Revenido: Temple: El ciclo de calentamiento y mantenimiento para la austenizacion es similar al normalizado, los tres aceros preseleccionados son templables en aceite, por lo tanto se selecciona como medio de temple aceite (H=0.5) para disminuir la severidad y de esta forma las fisuras, distorsiones y tensiones residuales en la pieza. Las temperaturas de Temple para los 3 aceros son: •


•


•

IRAM 1541 de 800ºC a 840ªC

En todos los casos es recomendable realizar un precalentamiento hasta unos 400ºC para evitar deformaciones o agrietamiento en la pieza.

Revenido: Posteriormente del temple se debe realizar el revenido para disminuir la fragilidad. La dureza final después del revenido debe satisfacer las condiciones de funcionamiento. La tensión de comparación (Von Mises) en la zona más solicitada es de 230 MPa. Adoptando un FOS de 3.5 tomaremos como límite elástico después del revenido 800 MPa Para determinar las temperaturas de Revenido en 1 hora se utilizaron las gráficas correspondientes a la norma IRAM con medio de temple Aceite.


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Las temperaturas y las propiedades para cada acero fueron las siguientes:

Acero 4140 8640 1541

Temperatura 630ºC 680ºC 520ºC

HB 280 260 280

Rp0.2 800MPa 800MPa 800MPa

Rm 930MPa 900MPa 940MPa

Z 60% 65% 53%

A 22% 24% 17%

Ciclo Temple y revenido

Hornos: Los procesos tanto de normalizado, temple y revenido deben realizarse en hornos de atmosfera controlada, el potencial de carbono de la atmosfera debe ser de 0.4%C para todos los aceros, de forma de evitar descarburación o carburación. Para el templado de la biela, esta debe estar en posición vertical al momento de ser introducida en el aceite del temple, para de esta forma evitar que la misma se pueda arquear, se pueden utilizar dispositivos como cestas o grillas para mantener las piezas separadas y en la posición correcta. Los hornos para el templado pueden ser hornos continuos o discontinuos según el volumen de producción, son preferibles hornos donde la cuba de temple se encuentre también bajo atmosfera controlada, como pueden ser los hornos horizontales discontinuos o los hornos continuos con empujadores.

Mecanizado: La biela después del forjado tiene la tiene la forma final salvo sobreespesores El mecanizado de la biela afectará a las caras de los agujeros, a los propios agujeros, y a las ranuras. El resto de los contornos no exigen tan alta calidad, ni en tolerancias ni en acabados superficiales, por lo que llegarán a esta fase del proceso con las dimensiones definitivas. Las especificaciones más exigentes del plano se refieren a los acabados superficiales del interior de los agujeros, por ser éstas las que están en o con el cigüeñal y el bulón respectivamente. Este acabado es difícil de conseguir en una fresadora, y sería objeto de estudio del rectificado final de la biela y debe realizarse después del templado y revenido. También hay especificaciones sobre el acabado del resto de las superficies. Además hay que satisfacer las tolerancias dimensionales, referidas a los dos diámetros internos, a la distancia entre ejes, y a la anchura en el lado del cigüeñal. Archivo: 105364276.doc

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Operaciones elementales de mecanizado 1.

Planeado:

Consiste en producir una superficie plana. Al eliminar los sobreespesores debemos asegurar el paralelismo entre ambas superficies (cara biela-mesa). A su vez la operación se divide en dos fases, una de desbaste y otra de acabado, siendo la primera realizada después del normalizado y la segunda después del temple y revenido. 2.

Mandrinado:

Consiste en mecanizar el interior de una superficie cilíndrica. En nuestro caso, se trata de eliminar los sobreespesores que existen en los agujeros debidos a la preforma. Realizaremos el desbaste y un primer acabado. El acabado final lo realizaremos en una rectificadora después del templado y revenido. 3.

Partido: La biela en cuestión se fabrica partiendo la cabeza de la misma. Dicho proceso permite un ahorro de costo, tanto debido al ahorro de tiempo del proceso como de mecanizado. Para realizarlo se debe obtener una fractura completamente frágil, esto es posible de lograr realizando una entalla en la misma y llevando la temperatura por debajo de la transición Ductil-Fragil.

Como se puede ver en la gráfica para los aceros en estudio dicha temperatura se encuentra por debajo de los 0ºC, esta temperatura se puede lograr por medio de la utilización de nitrógeno líquido o por un sistema de refrigeración. Posteriormente de realizada la entalla y con la pieza a la temperatura adecuada, la fractura puede producirse introduciendo un cono a presión por el agujero de la cabeza de la biela. Es importante destacar que ambas piezas de la cabeza deben mantenerse en pares dado que no serán intercambiables como en el caso de que dicha división sea producida por corte. Dicho proceso debe ser realizado después del temple y revenido, dado que realizar dicho tratamiento con la pieza partida producirá la ovalización del agujero y la pieza quedara arruinada.


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Conclusión: Las bielas, como muchas otras piezas no se fabrican solamente con un único material, ni siguiendo una única hoja de ruta sino que se fabrican de acuerdo a las disponibilidades de materia prima, a la maquinaria presente, a las exigencias del mercado y principalmente al menor costo. Por eso es siempre importante analizar varios materiales y proponer varias alternativas de tratamientos y procesos, para poder responder fácilmente a los cambios en el mercado. Actualmente, y con el correr de los años, se están utilizando materiales más innovadores, con mayor performance y que en algunos casos suelen ser menos costosos. En el campo de la metalurgia, los aceros microaleados están avanzando en el mercado. La fabricación de las bielas partiendo la cabeza de la misma en lugar de la separación por un mecanizado es una técnica compleja la cual necesita desarrollo y experimentación, pero que podría producir un sustancial ahorro en mecanizado y en tiempo de producción. Desde el punto de vista académico, se logró realizar una integración de los conocimientos obtenidos en la materia junto con los de otras asignaturas, pudiendo así alcanzar las competencias planteadas en el principio del cuatrimestre.


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Bibliografía: •

Apuntes de la cátedra Transformación de los Materiales.

•

Apuntes de la cátedra Tecnología de los Materiales.

•

Normas IRAM

•

Ensayos Instituto Argentino de Siderurgia

•

ASM Handbook Vol 1 Propierties and selection irons, steels and high performance

•

ASM Handbook Vol 4 Heat Traeting

•

ASM Handbook Vol.9 - Metallografic

•

Tratamientos Termicos – J.Aprais Barreiro – Dossat ,Madrid

•

Procedimientos de Mecanizado – Simon Millan Gomez – Thomson.

•

Diseño de elementos de máquinas – Rober L. Mott – Pearson


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