Cuerpos de bombas y válvulas de fundición a presión: porosidad, sellado y acabado

Los cuerpos de bomba y válvula se encuentran en la intersección de dos demandas contradictorias: deben mantener la presión interna y resistir fugas, pero generalmente se fabrican en grandes volúmenes donde el coste por unidad decide si un programa sobrevive. El hierro fundido y el aluminio vertido en arena o por gravedad han dominado históricamente este espacio porque los ingenieros confían en que sean herméticos a la presión. La fundición a presión de alta presión (HPDC) se trató con sospecha para piezas que transportan fluidos porque el llenado rápido atrapa aire y produce porosidad que se abre durante el mecanizado de las caras de sellado. Esa valoración ahora está desactualizada para una gran parte de las carcasas de bombas y válvulas, siempre que la porosidad se controle en la fuente y las caras de sellado se terminen con un estándar repetible. Este artículo explica las decisiones de ingeniería que tomamos cuando un cuerpo de bomba o válvula pasa de fundición en arena o por gravedad a fundición a presión, y cómo debe construirse la línea de acabado para que la fuga no escape de la planta.

Por qué la fundición a presión compite por las carcasas de bombas y válvulas

El argumento a favor de fundir a presión un cuerpo de bomba o válvula rara vez se basa en una sola propiedad. Se trata del paquete total de coste y calidad en función del volumen anual.

• El grosor de la pared puede reducirse de 4 a 5 mm en una fundición en arena a 2,5 a 3,5 mm en una fundición a presión para la misma clasificación de presión en aluminio, reduciendo el peso del metal en un 25 a 40 por ciento.
• El tiempo de ciclo pasa de minutos por pieza en fundición en arena y por gravedad a 60 a 150 segundos por disparo en una carcasa HPDC típica, permitiendo volúmenes de 100,000 a 500,000 piezas por año desde un solo molde.
• La dispersión dimensional en las características de la pieza como fundida es más ajustada, a menudo más o menos ±0,3 mm en características dentro de 100 mm, frente a ±1,0 mm o peor en fundiciones en arena, lo que significa menos material de mecanizado y menos configuraciones.
• El mismo fundido a presión puede unirse a un motor, sensor o colector con menos soportes secundarios porque los salientes, nervios y puertos pueden ser fundidos en.

La compensación es la porosidad. Una fundición en arena es un molde lento y permeable al aire donde el gas escapa; una herramienta de HPDC es una cavidad de acero sellada que se llena en 30 a 80 milisegundos, por lo que cualquier aire que no se expulsa se convierte en un vacío. Para una pieza sin presión, el vacío es cosmético. Para un cuerpo de bomba con una presión de trabajo de 6 a 16 bar y un cuerpo de válvula con una clasificación de 10 a 40 bar, ese vacío se convierte en un camino de fuga en el momento en que una broca lo atraviesa en la cara de sellado. El resto de este artículo trata sobre cómo cerrar esa brecha.

La regla de decisión que aplicamos con los clientes es sencilla. Si la pieza tiene una presión de trabajo por debajo de aproximadamente 25 bar, una tasa de caída de presión que puede tolerar de 0,5 a 1,0 mL/min, y una cara de sellado mecanizada que se pueda localizar, la fundición a presión suele ser la opción más económica. Por encima de aproximadamente 40 bar, o para cuerpos donde toda la cavidad interna es una superficie de sellado, analizamos más detenidamente la asistencia de vacío y el diseño de la compuerta antes de comprometerse.

Requisitos de hermeticidad a la presión y cómo la porosidad los rompe

La fuga en un cuerpo de bomba o válvula se especifica de una de tres maneras, y no son intercambiables.

La porosidad solo es peligrosa cuando está conectada. Un racimo de poros de gas esféricos aislados de 0.2 a 0.5 mm de diámetro que nunca alcanza una superficie es inofensivo para el sellado. El modo de fallo es un vacío alargado, similar a un gusano, que va desde el interior del molde hasta un asiento de puerto perforado o una cara de brida fresada. Cuando la herramienta atraviesa, la pieza tiene fugas en la bancada de prueba aunque parecía sólida por fuera.

Clasificamos el riesgo de porosidad por ubicación en lugar de por volumen total:

• Porosidad bajo una brida mecanizada a menos de 3 mm del corte: alto riesgo, debe ser suprimida.
• Porosidad en un boss grueso alejado de cualquier corte: bajo riesgo, aceptable si está aislada.
• Porosidad que intersecta la pared de un canal interno con núcleo: riesgo medio, depende de si el canal está sellado por una junta o junta tórica.

El umbral práctico de aceptación que usamos para una cara de sellado mecanizada es que no haya poro conectado mayor de 0.3 mm dentro de 2 mm de la superficie terminada. Eso es más estricto que una clase típica de rayos X, pero es lo que exige la prueba de fugas. Controlarlo comienza en la fundición y el llenado, no en la bancada de inspección.

Asistencia de vacío y tratamiento de fundido para fundiciones de calidad

Las dos variables que más afectan la porosidad son cuánto aire queda en la cavidad durante el llenado y qué tan limpia está la fundición antes de entrar en la camisa de disparo. Cubrimos el control en el lado de la cavidad en nuestro guía de fundición a presión con vacío, y el control del lado de la fundición en nuestro guía de causas y soluciones de porosidad en fundiciones de aluminio.

La asistencia de vacío reduce la presión de la cavidad a entre 50 y 150 mbar absolutos antes de que llegue el frente de metal. Para un cuerpo de bomba eso significa:

• Reducción en la fracción de volumen de porosidad de gas de aproximadamente 3 a 6 por ciento en HPDC estándar a 0.5 a 1.5 por ciento bajo vacío.
• Capacidad para aumentar la velocidad del émbolo de la primera etapa sin plegar el aire, lo que mejora el llenado de las puntas de puerto delgadas y los filetes afilados.
• Una caída medible en los rechazos por prueba de fugas, a menudo del 4 al 8 por ciento de chatarra en un cuerpo de válvula difícil, a menos del 1,5 por ciento.

El tratamiento del fundido importa tanto. El hidrógeno disuelto en el aluminio se expande al solidificarse y forma poros de gas redondos que luego se conectan con la contracción. Mantenemos lo siguiente en los programas de bombas y válvulas:

• Desgasificación por debajo de 0,12 mL/100 g de hidrógeno equivalente mediante tratamiento con impulsor rotatorio, verificado mediante una muestra de prueba de presión reducida.
• Filtración a través de un filtro de espuma cerámica de 20 a 30 ppi antes de la camisa de disparo para eliminar óxidos que actúan como núcleos de porosidad.
• Temperatura del horno de mantenimiento controlada con un margen de plus o menos 5 grados Celsius alrededor de 660 a 680 grados Celsius para limitar el crecimiento de óxidos.

Un detalle que subestiman los ingenieros: la propia camisa de disparo entrampa aire si el vertido es incorrecto. Mantenemos la proporción de llenado de la camisa por encima del 60 por ciento y usamos una velocidad lenta de la primera etapa de 0,2 a 0,4 m/s hasta que la camisa esté llena, luego aceleramos. En un cuerpo de bomba de aluminio de 6 kg, esto por sí solo redujo los rechazos por porosidad conectada en aproximadamente un tercio en un programa que realizamos.

Mecanizado de las caras de sellado: estrategia de datum y tolerancia de material

Un casting hermético a la presión es la mitad de la batalla. La otra mitad es cortar la cara de sellado para que el poro nunca aparezca y la junta quede plana. La estrategia de datum decide si tus tolerancias son reales o accidentales. Nuestro margen de mecanizado para fundición a presión y guía de datum va más allá, pero los puntos que importan para cuerpos de bomba y válvula son:

• Elegir un datum primario de un reborde fundido o un asiento de tres puntos que sea reproducible de una corrida a otra, no de una línea de rebaba o una superficie de línea de separación que varíe con el desgaste del molde.
• Mecanizar todas las caras de sellado en una sola configuración para mantener la planitud y perpendicularidad en relación con una referencia, evitando acumulaciones a través de los accesorios.
• Mantener la planitud de la cara de sellado mecanizada en 0,05 mm de lectura total en un indicador en un asiento de 60 a 120 mm de diámetro para juntas suaves, y de 0,02 a 0,03 mm para juntas metálicas o enrolladas en espiral.

El margen de material es el acto de equilibrio. Demasiado material y pagas en tiempo de ciclo y desgaste de herramientas; muy poco y expones un poro en el momento en que la herramienta atraviesa. Para cuerpos con fundiciones asistidas por vacío, normalmente mecanizamos:

• Caras de brida con 0,4 a 0,6 mm de material por lado.
• Asientos de puerto con 0,3 a 0,5 mm.
• Diámetros de orificio con 0,5 a 0,8 mm radial.

El número no es fijo. Realizamos un primer artículo, lo seccionamos y medimos el perfil de profundidad de porosidad, luego ajustamos el material para que el corte quede al menos 0,2 mm por encima de la banda de poros más profunda aceptable. Durante la vida útil del molde, que puede ser de 100,000 a 300,000 disparos, el molde se desgasta y la superficie fundida se desplaza, por lo que el material se revisa en cada intervalo de mantenimiento.

Una falla común es mecanizar el asiento de puerto desde el lado incorrecto de la pieza, de modo que la herramienta se acerca a la región de núcleo propensa a porosidad. Insistimos en un dibujo de proceso que muestre la dirección del corte en relación con las ubicaciones de la compuerta y la ventilación, porque allí está el metal en buen estado.

Acabado superficial para asiento de junta y sello

El acabado de la cara de sellado determina qué tan bien cumple su función una junta o anillo de estanqueidad, y es independiente de la porosidad. Una cara puede estar libre de poros y aún así tener fugas porque es demasiado áspera para que la junta se adapte, o demasiado lisa para que la junta no se deslice.

Después del mecanizado, el paso de desbarbado es lo que protege la junta. Una rebaba en el borde de un puerto se enrollará en la ranura de la junta tórica durante el ensamblaje y cortará la junta. Una rebaba en una cara de brida fresada se convierte en un canal de fuga. Aquí es donde el acabado manual se convierte en el eslabón débil en un programa de alto volumen: un operador cansado pasa por alto el mismo borde que un robot golpea cada vez.

Integración del desbarbado robótico con la prueba de fugas

Tratamos el desbarbado y la prueba de fugas como una sola celda, no como dos estaciones separadas, porque el traspaso entre ellas es donde se pierden defectos. La línea que construimos para un cuerpo de bomba o válvula funciona:

1. Recorte y eliminación de compuertas en el troquel o mediante sierra.
2. Mecanizado CNC de caras, orificios y puertos.
3. Desbarbado robótico de rebabas en la línea de separación, bordes de puertos y rebabas en agujeros perforados cruzados usando un husillo flotante controlado por fuerza para que la herramienta siga el contorno de fundición en lugar de cortar un camino fijo.
4. Prueba de fugas en línea en una fijación que sujeta los mismos datums utilizados en el mecanizado, para que una pieza que pasó por el cortador sea probada en el mismo marco de referencia.
5. Marcado y clasificación para pasar o reprocesar.

La estación de desbarbado robótico aporta la consistencia que necesita la junta. Un husillo controlado por fuerza mantenido entre 15 y 40 N de fuerza normal con una alimentación de 120 a 240 mm/s elimina la rebaba sin dañar la superficie de asiento. Para agujeros perforados cruzados, usamos una pequeña herramienta de cepillo o filamento abrasivo a 2000 a 4000 rpm para romper el borde en 0.1 a 0.3 mm, lo suficiente para proteger una junta tórica y no lo suficiente para cambiar la función del orificio.

La prueba de fugas se realiza a 1.5 veces la presión de trabajo con una estabilización de 10 a 30 segundos y una ventana de medición de 20 a 60 segundos, dependiendo del volumen de la pieza. Un cuerpo que falla se desvía, no se reprocesa a ciegas. Capturamos la curva de decaimiento de presión por pieza para que una deriva en el proceso se muestre como un cambio lento en la tasa de decaimiento promedio días antes de que cruce el límite de rechazo. Esos datos de tendencia permiten que la celda funcione sin supervisión en un segundo turno.

Un diseño para una celda combinada de fundición y prueba de fugas

El objetivo de rendimiento determina la forma de la celda. Para un programa de 200,000 piezas por año con un ciclo de 50 segundos por pieza en un centro de mecanizado único, necesitas que el desbarbado y la prueba de fugas se ajusten a ese tiempo o actúen en paralelo.

Normalmente combinamos un centro de mecanizado con un robot de desbarbado de seis ejes y un probador de fugas de dos estaciones, con un pequeño transportador de reserva entre ellos. El robot es el elemento flexible: la misma celda puede trabajar en un cuerpo de bomba por la mañana y en un cuerpo de válvula por la tarde, cambiando la fijación y el programa de herramientas, exactamente lo que necesita una fundición por trabajo. Las fijaciones están diseñadas para cambios rápidos, en menos de 15 minutos incluyendo confirmación de aire y E/S, por lo que el cambio no consume la ganancia de la automatización.

La seguridad y el polvo son parte del diseño, no una idea secundaria. El desbarbado de aluminio genera virutas finas y chispas ocasionales, por lo que encerramos el robot con cortinas de luz y utilizamos un sistema de extracción de polvo por corriente descendente dimensionado para la tasa de remoción de metal. La celda está interbloqueada para que una puerta abierta detenga el husillo antes de que una mano pueda alcanzarlo.

Criterios de aceptación y monitoreo del proceso

Un cuerpo de bomba o válvula solo es tan bueno como los datos que lo respaldan. Bloqueamos el programa con un informe de primer artículo y luego monitoreamos el proceso en marcha en comparación con él.

• Verificaciones dimensionales en las primeras tres piezas fundidas por ciclo de mantenimiento del molde, incluyendo la planitud de la cara de sellado y la perpendicularidad del orificio, en una CMM.
• Verificaciones de porosidad mediante rayos X o muestra seccionada al inicio de cada turno durante la primera semana, luego semanalmente una vez estable, muestreando dos piezas por cada 1,000.
• La tasa de decaimiento de la prueba de fugas se registra por pieza y se grafica como una media móvil; una deriva ascendente de más del 20 por ciento del límite activa una revisión del fundido o del proceso antes de que se acumulen rechazos por fugas.
• El desgaste de la herramienta se sigue por el conteo de ciclos en el CNC, con cambios de insertos programados al 60-70 por ciento de la vida documentada para mantener el acabado del asiento en rango.

La mayor fuente de fugas en campo que vemos no es el fundido, sino un cambio realizado sin registro. Se retoca un molde, se ajusta la compuerta, el rotor del desgasificador se desgasta, y nadie conecta el aumento posterior en rechazos por fugas. La disciplina que previene esto es aburrida pero efectiva: cada cambio en el proceso se registra contra el número de pieza y la tendencia de la prueba de fugas se vuelve a establecer. En un año, ese registro suele recuperar entre el 1 y el 3 por ciento de las unidades que de otro modo serían desechadas o devueltas.

Para cuerpos de bomba y válvula, la ventaja del fundido a presión no es una pieza más ligera en un dibujo, sino una pieza repetible que pasa la prueba de fugas en volumen. Esa repetibilidad se diseña en la fundición, se mantiene en la cara mecanizada y se prueba en el probador de fugas en línea, y una celda de desbarbado y prueba de fugas robótica de DZ Machinery es cómo incorporamos esa prueba en cada turno. Si estás considerando cambiar de fundición en arena o gravedad a fundición a presión para una carcasa de presión, habla con nuestro equipo de ingeniería sobre los dibujos de tu pieza y mapearemos la porosidad, los puntos de referencia y los pasos de acabado antes de que hagas un molde.