Herramientas para fundición a presión: Diseño, materiales y mejores prácticas

El utillaje para fundición a presión, como su nombre indica, comprende los moldes y matrices del proceso de fundición. Cuando está bien diseñado, ofrece características nítidas, tolerancias ajustadas y tiempos de ciclo estables durante cientos de miles, a veces millones, de inyecciones.

En este artículo, en Moldie extraeremos los aspectos esenciales de las herramientas de fundición a presión y le ayudaremos a comprender mejor su mecanismo de funcionamiento, las soluciones de herramientas y otros factores relevantes en la tecnología de fundición a presión.

¿Qué es el utillaje para fundición a presión y cómo funciona?

En esencia, el utillaje de fundición a presión es un molde complejo de acero de alta resistencia compuesto por dos o más mitades. Su función principal es dar forma al metal fundido bajo una presión inmensa para convertirlo en una pieza con la forma final.

Un molde estándar para fundición a presión consta de dos mitades principales:

• El troquel de la cubierta (mitad fija): Esta mitad está montada sobre la platina fija de la máquina de fundición a presión y contiene el sistema de inyección, ya sea el cuello de cisne (en cámara caliente) o la camisa de perdigones (en cámara fría).
• El dado eyector (mitad móvil): Esta mitad está montada sobre la platina móvil y contiene el sistema de eyección para empujar la pieza fundida solidificada después del ciclo.

El ciclo de fundición a presión en cuatro pasos clave:

1. Reprimición: Las dos mitades del troquel se sujetan hidráulicamente con una fuerza inmensa (a menudo de cientos a miles de toneladas) para soportar la alta presión de inyección.

2. Inyección: El metal fundido se inyecta en la cavidad del molde a alta velocidad y presión. Aquí es donde se marca la distinción entre la cámara caliente y cámara fría Los sistemas se vuelven críticos, como se detalla en la siguiente sección.

3. Enfriamiento: El metal se solidifica dentro de la cavidad, adquiriendo su forma final. El molde está equipado con intrincados canales internos de refrigeración que hacen circular agua o aceite para controlar el proceso de solidificación y gestionar los ciclos térmicos extremos.

4. Expulsión: La abrazadera se abre y la placa eyectora de la mitad móvil avanza, empujando los pasadores eyectores contra la pieza fundida para liberarla del molde.

Este ciclo se repite cada pocos segundos durante toda la vida útil de la herramienta, sometiéndola a un estrés térmico extremo (por el metal fundido), estrés mecánico (por la presión de sujeción e inyección) y desgaste abrasivo. El diseño, los materiales y el mantenimiento de las herramientas están optimizados para resistir este entorno adverso.

Diseño de moldes personalizados para herramientas de fundición a presión

Calado, radios y espesor de pared

Aplicando borrador adecuado Es el primer paso para una expulsión limpia y una mayor vida útil. Para obtener resultados óptimos, utilice un ángulo de desmoldeo de 0,5 a 1,0 grados en las caras exteriores y un ángulo ligeramente mayor, de 1,0 a 2,0 grados, en los núcleos interiores. Además, si la superficie es texturizada, deberá aumentar aún más el ángulo de desmoldeo, normalmente un grado o más, para compensar la textura y evitar que la pieza se atasque durante la expulsión.

Más allá de los ángulos de tiro, incorporando generosos filetes Es fundamental para la durabilidad y la calidad de la pieza. El uso de filetes con un radio de al menos 0,5 a 1,0 mm para el zinc y de 1,0 a 2,0 mm para el aluminio ayuda a distribuir la tensión y previene el agrietamiento al reducir las esquinas agudas. Este procedimiento también mejora el flujo del metal fundido.

Además, los diseños deben mantener espesor de pared uniforme,Utilice nervios y salientes estratégicos y evite paredes extremadamente delgadas (generalmente por encima de 0,8 a 1,0 mm para el aluminio), a menos que se haya demostrado que la configuración específica las soporta.

Tolerancias y referencias críticas

Establecer una Referencia de datos clara Enmarcar utilizando superficies resistentes y accesibles que sean fundamentales para la función y la medición de la pieza. Aplicar Dimensionamiento geométrico y tolerancias La geometría, la orientación y la posición (GD&T) controlan la forma, la orientación y la ubicación, como la planitud, la posición y el perfil. Este sistema define los límites funcionales de la pieza. Se evita restringir excesivamente el diseño permitiendo tolerancias más amplias en superficies no críticas, lo que simplifica el utillaje y la fabricación sin afectar al rendimiento.

Los puntos de referencia deben colocarse sobre plataformas estables, tal como se fundieron, que sean fácilmente accesibles para las sondas. Nunca se debe definir un punto de referencia a través de la línea de partición, ya que incluso pequeñas desalineaciones entre las mitades del molde provocarán errores de medición y comprometerán el sistema de referencia.

Recuerda que las tolerancias de las piezas fundidas son mayores que las de las piezas mecanizadas. Aplique las tolerancias de mecanizado únicamente a las características críticas. como superficies de sellado o ajustes de cojinetes, dejando otras áreas tal como se funden. Esto minimiza las operaciones secundarias y reduce los costos.

Estrategia de separación, minimización de diapositivas y costo

El coste y la complejidad de los troqueles de fundición a presión dependen principalmente de su línea de partición y del número de correderas. Dado que cada corredera supone un coste, un mantenimiento y un tiempo considerables, un objetivo clave del diseño es minimizarlas. Esto puede lograrse reorientando las características hacia el plano de partición principal o rediseñando para eliminar los socavados. El mejor enfoque es la colaboración temprana y Análisis DFM, lo que permite consolidar las diapositivas, acortar los plazos de entrega, reducir los costes y mejorar la durabilidad de las herramientas.

Texturas y logotipos

El diseño de texturas y logotipos requiere pasos específicos para garantizar la calidad y la durabilidad. La aplicación de cualquier textura exige ángulos de desmoldeo mayores para una correcta expulsión, por lo que siempre Consulte a su proveedor para conocer sus especificaciones exactas al agregar logotipos.. Siempre que sea posible, los logotipos deben colocarse en superficies no críticas y no funcionales. Es preferible que estén empotrados en la superficie, en lugar de sobresalir, para evitar rayaduras y desgaste en la herramienta.

Materiales de acero para herramientas y tratamientos superficiales

Aceros para herramientas comunes (H13, H11, Maraging)

• H13: El caballo de batalla de la industria para Fundición a presión de aluminio, Con buena resistencia a altas temperaturas, resistencia a la fatiga térmica y tenacidad. Un tratamiento térmico y un revenido adecuados son imprescindibles.
• H11Ofrece buena tenacidad y resistencia al choque térmico, pero se usa con menos frecuencia que el H13 para cavidades y núcleos principales en la fundición a presión de aluminio debido a su menor resistencia en caliente.
• Aceros maragingÚtil para insertos que requieren alta resistencia y excelente maquinabilidad o para insertos híbridos fabricados mediante manufactura aditiva; normalmente se combina con ingeniería de superficies para mitigar la soldadura.

Otros aceros comunes incluyen el P20 para aleaciones de zinc y magnesio, y aceros de alta dureza como el D2 para pasadores eyectores y otros componentes de alto desgaste.

Recubrimientos, nitruración e ingeniería de superficies

• NitruraciónCrea una capa de difusión dura y resistente al desgaste para evitar la erosión y la microsoldadura. Se utiliza ampliamente en H13/H11.
• Recubrimientos PVD/CVD (por ejemplo, TiN, CrN, AlCrN)Reduce la humectación, mejora la lubricidad y limita la soldadura. La selección depende de la aleación y la temperatura de funcionamiento.
• Recubrimientos de cromo duro, níquel-boro y recubrimientos especiales anti-soldaduraSe aplica en zonas de entrada, zonas de impacto de alta velocidad y núcleos propensos a la adherencia. La preparación de la superficie y la calidad del acero base determinan el éxito.

Resistencia a la fatiga térmica, la soldadura y la erosión

• Fatiga térmica Se manifiesta como agrietamiento térmico en la superficie del troquel, causado por ciclos rápidos de calentamiento y enfriamiento. Las estrategias de mitigación consisten principalmente en utilizar aceros para herramientas con alta resistencia a la fatiga térmica (como el H13) y diseñar sistemas de refrigeración equilibrados para gestionar los ciclos térmicos extremos. Precalentar el troquel antes de la producción es una medida preventiva fundamental para reducir el choque térmico inicial.
• Soldadura, La adherencia indeseable de la aleación fundida al acero del molde se agrava cuando las temperaturas locales del acero descienden a un rango crítico. Esto se puede contrarrestar mediante recubrimientos especializados, agentes desmoldantes y un control preciso de la temperatura de las paredes del molde para evitar este rango crítico.
• Erosión Suele aparecer cerca de las compuertas o en zonas con curvas pronunciadas, donde el metal fundido a alta velocidad impacta la superficie. Para contrarrestar esto, conviene suavizar los ángulos de impacto, aumentar los radios y endurecer localmente las superficies en estas zonas críticas para una mayor resistencia.

Construcción, muestreo y mantenimiento de las herramientas

Flujo de trabajo y plazos de entrega para la fabricación de herramientas

Un programa típico de utillaje para fundición a presión normalmente consta de 8 pasos:

Primer artículo, pruebas e iteraciones

El muestreo inicial verifica el llenado, la porosidad y la estabilidad dimensional. Se prevé realizar ajustes en el tamaño de las compuertas, la profundidad de los respiraderos, las fórmulas de pulverización y los parámetros de inyección. La inspección de la primera pieza vincula los resultados medidos con la geometría dimensional y toroidal (GD&T) del plano. Los bucles basados en datos, las imágenes térmicas, los registros de presión en la cavidad y los niveles de vacío permiten una convergencia más rápida que la basada en conjeturas.

Mantenimiento preventivo, reacondicionamiento y reparación

El mantenimiento preventivo rutinario incluye la limpieza de respiraderos, la reparación de válvulas de cierre, la verificación del desgaste por expulsión y el reajuste de las conexiones del refrigerante. La re-nitruración y las reparaciones por puntos de soldadura prolongan la vida útil. Mantenga una estrategia de insertos de repuesto para núcleos y áreas de entrada con alto desgaste. Haga un seguimiento de los ciclos de mantenimiento y los modos de falla: las herramientas se evidencian a través de sus patrones de desgaste.

Defectos comunes y soluciones

Porosidad, cierres en frío y defectos de fabricación

• Porosidad del gasMejorar la ventilación/vacío, reducir la turbulencia mediante la geometría de la compuerta y estabilizar la temperatura del chip. Reequilibrar la pulverización y el lubricante para evitar la acumulación de vapores.
• Reducir la porosidad: Engrosar secciones locales o añadir alimentaciones/desbordamientos; ajustar la refrigeración para evitar la congelación prematura en puntos calientes.
• Cierres en frío/fallos de alimentación: Eleve las temperaturas de fusión y de la boquilla dentro de las especificaciones, agrande las compuertas o reposicione las mismas para mantener el frente de flujo caliente y continuo.

Flash, Soldadura y Pegado

• Flash: Mejore las superficies planas de cierre, corrija el bloqueo de la matriz y verifique la fuerza de sujeción. El exceso de pulverización también puede provocar el acuñamiento hidráulico.
• Soldadura: Aumentar la temperatura de la superficie del acero por encima del rango de adherencia, aplicar recubrimientos antiadherentes y ajustar la composición química del lubricante. Reducir el impacto directo reorientando las compuertas.
• Problemas de adherencia: Añada corriente de aire, pula las superficies de expulsión, redistribuya los pasadores eyectores o cambie a manguitos eyectores donde los salientes sean altos.

Deformación y deriva dimensional

• Deformación: Se origina por un enfriamiento desigual y tensiones residuales. Equilibre los circuitos de enfriamiento, utilice canales conformados en piezas asimétricas y ajuste los parámetros del proceso de templado para una solidificación gradual.
• Deriva dimensional: Esto puede ocurrir en series largas, lo que indica dilatación térmica del troquel. Para corregir defectos difíciles, se recomienda diseñar con calibración posterior a la fundición o mecanizado de acabado específico.

Conclusión

El utillaje para fundición a presión es una inversión vital que garantiza la calidad y la eficiencia mediante ingeniería de precisión y colaboración estratégica. Debe elegir socios con proceso de producción de moldes bien establecido y una amplia experiencia en DFM. Este enfoque transforma los desafíos en una producción fiable, aportando un valor constante y una ventaja competitiva.

Preguntas frecuentes

¿Cómo se traduce realmente la complejidad de las piezas en un mayor coste de utillaje? ¿Se trata simplemente de una cuestión de tamaño?

Si bien el tamaño de la pieza influye en el costo del acero, el costo de las herramientas va mucho más allá de la simple cantidad de material utilizado. Cada socavado que requiere una corredera, cada núcleo complejo y cada característica con tolerancias ajustadas incrementan el tiempo de ingeniería, el mecanizado de precisión y los puntos de mantenimiento futuros. Una pieza más sencilla, con una línea de partición limpia y un bajo volumen de producción, a menudo puede mecanizarse con una herramienta de una sola cavidad, más económica y fiable. Una pieza con múltiples socavados requerirá una herramienta compleja de múltiples correderas, independientemente de la cavitación.

¿Cuáles son los indicadores clave durante una fase de muestreo/prueba de herramientas que permiten predecir futuros problemas de producción?

Le sugerimos que preste atención a la consistencia. Si pequeños ajustes en los parámetros de la máquina (como la temperatura o la velocidad de inyección) provocan grandes fluctuaciones en la calidad de las piezas o defectos, el diseño del molde podría ser inestable. Otras señales de alerta incluyen la dificultad para expulsar las piezas de forma consistente, indicios de soldadura en las primeras inyecciones o la incapacidad de establecer un rango de proceso amplio y estable donde se produzcan piezas de buena calidad. Un molde adecuado debe ser tolerante y repetible.

¿Cuándo resulta más rentable diseñar una herramienta “más simple” y utilizar el mecanizado secundario para las características complejas?

Este método suele ser acertado para elementos extremadamente difíciles o costosos de fabricar mediante fundición, como agujeros muy profundos de pequeño diámetro, roscas con raíces perfectas o esquinas internas extremadamente afiladas. Al fundir un bloque sólido y taladrarlo/roscarlo en una operación secundaria, se evitan el coste y los posibles puntos de fallo de los frágiles pernos del núcleo en el molde. Se trata de un equilibrio entre el coste de mecanizado por pieza y la complejidad/riesgo inicial de la herramienta.