ES2893547A1 - Piston de fundicion a presion, y aparato de fundicion a presion que incorpora el mismo - Google Patents

Abstract

Pistón de fundición a presión, y aparato de fundición a presión que incorpora el mismo. Un pistón de un aparato de fundición a presión incluye: una punta de pistón que tiene un cuerpo en general en forma de copa que tiene una cara delantera interior y una superficie cilíndrica interior, teniendo la cara delantera interior una pluralidad de ranuras formadas en la misma para transportar un fluido refrigerante; y un portador de pistón interior acoplado a la punta de pistón, comprendiendo el portador una parte delantera alargada que se engancha de forma coincidente con la punta de pistón.

Description

DESCRIPCIÓN

PISTÓN DE FUNDICIÓN A PRESIÓN, Y APARATO DE FUNDICIÓN A PRESIÓN

QUE INCORPORA EL MISMO

Campo

La divulgación objeto se refiere en general a la fundición a presión y, en particular, a un pistón de fundición a presión y un aparato de fundición a presión que incorpora el mismo.

Antecedentes

En el campo de la fabricación de automóviles, los componentes estructurales que históricamente se han fabricados de acero, tales como las cunas de motor, se sustituyen cada vez más por piezas de fundición de aleación de aluminio. Tales piezas de fundición suelen ser grandes, complicadas y relativamente delgadas, y necesitan cumplir con los altos estándares de calidad de la fabricación de automóviles. Con el fin de cumplir con estos requisitos, se usa normalmente la fundición a presión asistida por vacío para producir tales piezas de fundición.

Las máquinas de fundición a presión asistidas por vacío comprenden un pistón, a veces denominado "émbolo", que se hace avanzar a través de un orificio de pistón definido dentro de un contenedor para empujar un volumen del metal líquido dentro de una cavidad de molde. Se aplica vacío al orificio de pistón para ayudar al flujo del metal líquido a través del mismo.

Por ejemplo, la figura 1 muestra una parte de un aparato de fundición a presión asistido por vacío de la técnica anterior, que en general se indica con el número de referencia 20. El aparato de fundición a presión asistido por vacío 20 comprende un pistón que puede moverse dentro de un orificio de pistón 22 definido dentro de un contenedor 24 para empujar un volumen del metal líquido (no mostrado) dentro de una cavidad de molde de fundición a presión (no mostrada) para formar una pieza de fundición. En el ejemplo mostrado, el pistón está colocado en su posición inicial de la carrera, que está hacia atrás de un puerto 26 a través del que se introduce el volumen del metal líquido en el orificio de pistón 22.

El pistón comprende una punta de pistón 32 montada en un extremo delantero de un vástago de pistón (no mostrado). La punta de pistón 32 tiene una cara delantera 34 que está configurada para hacer contacto con el volumen del metal líquido introducido en el orificio de pistón 22 a través del puerto 26. En el ejemplo mostrado, la punta de pistón 32 tiene un anillo de desgaste 36 dispuesto en una superficie exterior del mismo.

En operación, al comienzo de un ciclo de carrera, el pistón se coloca en su posición inicial en el orificio de pistón 22, y se introduce un volumen del metal líquido en el orificio de pistón 22 por delante de la punta de pistón 32 a través del puerto 26. A continuación, el pistón se mueve hacia delante a través del orificio de pistón 22 para empujar el volumen del metal líquido hacia la cavidad de molde para formar una pieza de fundición de metal, y se mueve hacia atrás a su posición inicial para completar el ciclo de carrera. El ciclo se repite, según se desee, para producir múltiples piezas de fundición de metal.

Las puntas de pistón de fundición a presión convencionales se fabrican a veces con aleaciones de berilio y cobre, debido a la alta resistencia, alta tenacidad y alta conductividad térmica de tales aleaciones. Sin embargo, las aleaciones de berilio-cobre son en general caras. Además, el berilio es tóxico y un carcinógeno conocido y, por lo tanto, plantea problemas ambientales y de seguridad en el lugar de trabajo. Otros materiales, tales como ciertos aceros que tienen alta resistencia y alta tenacidad, se han propuesto como materiales a partir de los que pueden fabricarse los materiales de fundición a presión. Sin embargo, el acero tiene en general una conductividad térmica mucho más baja que las aleaciones de berilio-cobre, y se requeriría una refrigeración interna para evitar que el acero alcance altas temperaturas durante la operación.

Se han descrito pistones de fundición a presión que tienen refrigeración interna. Por ejemplo, la patente de Estados Unidos N.° 8.136.574 de Müller et al. desvela un pistón de múltiples piezas para la fijación a un extremo lateral de alta presión de una biela que funciona axialmente en un cilindro de fundición de una máquina de fundición de cámara fría. El pistón comprende una corona de pistón que forma una cara delantera de pistón en el lado de alta presión y un cuerpo de pistón en forma de casquillo conectado a la corona de pistón en el lado de baja presión. Se proporcionan medios de bloqueo de bayoneta complementarios para la fijación axial del pistón al extremo de la biela, en la corona del pistón y en el extremo.

La solicitud de patente europea N.° 2796226 de Taljat et al. describe un pistón para fundición a presión que comprende un cuerpo de pistón, que es un objeto de un solo elemento, y un sistema de regulación térmica integrado o construido dentro del cuerpo de pistón, incluyendo el sistema de regulación térmica un paso que permite el flujo de fluido para la regulación de temperatura del pistón. En general, el pistón con refrigeración integrada se produce como un producto de un solo elemento utilizando una tecnología de fabricación específica.

En general, se desean mejoras. Es un objeto al menos proporcionar un pistón de fundición a presión novedoso y un aparato de fundición a presión que lo incorpore. Sumario de la invención

Respectivamente, en un aspecto se proporciona un pistón de un aparato de fundición a presión, comprendiendo el pistón: una punta de pistón que tiene un cuerpo en general en forma de copa que tiene una cara delantera interior y una superficie cilindrica interior, teniendo la cara delantera interior una pluralidad de ranuras formadas en la misma para transportar un fluido refrigerante; y un portador de pistón interior acoplado a la punta de pistón, comprendiendo el portador una parte delantera alargada que se engancha de forma coincidente con la punta de pistón.

Las ranuras pueden comprender unas ranuras curvas que se extienden desde el centro de la cara delantera interior hasta la periferia de la cara delantera interior. Cada ranura curva puede formarse en solo un cuarto de la cara delantera interior. Las ranuras pueden comprender además un rebaje en el centro de la cara delantera.

La parte delantera del portador puede comprender: una cara delantera en general plana que comprende una abertura a través de la que se suministra un fluido refrigerante; y una superficie cilíndrica que tiene una pluralidad de ranuras adicionales formadas en la misma. Las ranuras adicionales pueden comprender ranuras axiales que se extienden desde la cara delantera del portador. Las ranuras axiales pueden formarse en una superficie intermedia de la superficie cilíndrica, extendiéndose las ranuras axiales una parte de la anchura de la superficie intermedia. La superficie intermedia puede extenderse por toda una revolución completa alrededor del eje longitudinal del portador. Las ranuras adicionales pueden comprender además una ranura circunferencial que se extiende por toda la superficie cilíndrica hacia atrás de la superficie intermedia. La ranura circunferencial puede extenderse por toda una revolución completa alrededor del eje longitudinal del portador. El pistón puede comprender además al menos un conducto que se extiende desde la ranura circunferencial hacia el interior del portador.

La punta de pistón puede fabricarse con acero AISI de la clase 4340, acero AISI de la clase 300M, o acero AISI de la clase 4140, o cualquier equivalente de composición de los mismos. El portador puede estar fabricado de acero AISI de la clase 4340, acero AISI de la clase 300M, o acero AISI de la clase 4140, o cualquier equivalente de composición de los mismos.

En una realización, se proporciona un aparato de fundición a presión que comprende el pistón. El aparato de fundición a presión puede ser un aparato de fundición a presión al vacío.

Breve descripción de los dibujos

A continuación, se describirán las realizaciones en mayor detalle con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

la figura 1 es una vista lateral en sección de una parte de un aparato de fundición a presión de la técnica anterior, que comprende una punta de pistón de la técnica anterior;

la figura 2 es una vista lateral en sección de una parte de un aparato de fundición a presión, que comprende un pistón;

la figura 3 es una vista en perspectiva del pistón de la figura 2;

la figura 4 es una vista en sección del pistón de la figura 3, tomada a lo largo de la línea de sección indicada;

la figura 5 es una vista en perspectiva despiezada del pistón de la figura 3; la figura 6 es otra vista en perspectiva despiezada del pistón de la figura 3; la figura 7 es una vista en sección de la punta de pistón que forma parte del pistón de la figura 6, tomada a lo largo de la línea de sección indicada;

la figura 8 es una vista del extremo trasero de la punta de pistón;

la figura 9 es una vista en sección de la punta de pistón de la figura 8, tomada a lo largo de la línea de sección indicada;

las figuras 10A a 10D son unas vistas de unos pistones a modo de ejemplo, comprendiendo cada uno de los mismos una punta de pistón a modo de ejemplo y un portador de pistón a modo de ejemplo, usado para simulaciones por ordenador;

las figuras 11A a 11D son unas representaciones gráficas de la temperatura calculada en función de la posición en la cara delantera de los pistones a modo de ejemplo de las figuras 10A a 10D, respectivamente;

las figuras 12A y 12B son unas representaciones gráficas de la temperatura calculada en el centro de la cara delantera en función del tiempo, para los pistones a modo de ejemplo de las figuras 10A a 10D, respectivamente; y

la figura 13 es una representación gráfica de la temperatura calculada en función de la posición a lo largo del eje longitudinal del pistón, para los pistones a modo de ejemplo de las figuras 10A a 10D, respectivamente.

Descripción detallada de las realizaciones

El sumario anterior, así como la siguiente descripción detallada de ciertos ejemplos se entenderá mejor cuando se lea junto con los dibujos adjuntos. Como se usa en el presente documento, un elemento o característica introducido en singular y precedido por la palabra "un" o "una" debería entenderse que no necesariamente excluye el plural de los elementos o características. Además, las referencias a "un ejemplo" o "una realización" no pretenden ser interpretadas como excluyentes de la existencia de ejemplos o realizaciones adicionales que también incorporen los elementos o características descritos. Por otra parte, a menos que se indique explícitamente lo contrario, los ejemplos o realizaciones "que comprenden" o "que tienen" o "que incluyen" un elemento o característica o una pluralidad de elementos o características que tienen una propiedad particular pueden incluir elementos o características adicionales que no tengan esa propiedad. También, se apreciará que los términos "comprende", "tiene", "incluye" significan "que incluye sin limitarse a" y las expresiones "que comprende", "que tiene" y "que incluye" tienen significados equivalentes.

Como se usa en el presente documento, el término "y/o" puede incluir cualquiera y todas las combinaciones de uno o más de los elementos o características enumerados asociados.

Se entenderá que cuando se hace referencia a un elemento o característica como "en", "unido" a, "conectado" a, "acoplado" con, "en contacto" con, etc., otro elemento o característica, ese elemento o característica puede estar directamente en, unido a, conectado a, acoplado o en contacto con el otro elemento o característica o también pueden estar presentes elementos intervinientes. Por el contrario, cuando se hace referencia a un elemento o característica como, por ejemplo, "directamente en", "directamente unido" a, "directamente conectado" a, "directamente acoplado" o "directamente en contacto" con otro elemento o característica, no hay presentes elementos o características intervinientes.

Se entenderá que términos espacialmente relativos, tales como "debajo", "debajo", "inferior", "sobre", "encima", "superior", "parte delantera", "parte trasera" y similares, pueden usarse en el presente documento para facilitar la descripción para describir la relación de un elemento o característica con otro elemento o característica como se ilustra en las figuras. Los términos espacialmente relativos pueden, sin embargo, abarcar diferentes orientaciones en uso u operación además de la orientación representada en las figuras.

Pasando ahora a la figura 2, se muestra una parte de un aparato de fundición a presión asistido por vacío, y en general se indica con el número de referencia 120. El aparato de fundición a presión asistido por vacío 120 comprende un pistón 130 que puede moverse dentro de un orificio de pistón 122 definido dentro de un contenedor 124 para empujar un volumen del metal líquido (no mostrado) dentro de una cavidad de molde de fundición a presión (no mostrada) para formar una pieza de fundición. El contenedor 124 comprende un puerto 126 a través del que se introduce el volumen del metal líquido en el orificio de pistón 122, y en el ejemplo mostrado, el pistón 130 está colocado en su posición inicial de la carrera, que es hacia atrás del puerto 126.

El pistón 130 puede verse mejor en las figuras 3 a 9. El pistón 130 está configurado para montarse en un extremo delantero de un vástago de pistón (no mostrado). El pistón 130 comprende una punta de pistón 132 y un portador de pistón interior 134 acoplado a la punta de pistón 132.

La punta de pistón 132 comprende un cuerpo en general en forma de copa que tiene una cara delantera 136 configurada para hacer contacto con el volumen del metal líquido introducido en el orificio de pistón 122, una superficie trasera 138 configurada para hacer tope con el portador de pistón 134, y un conjunto de orejetas que se proyectan hacia dentro 140 adyacentes a la superficie trasera 138 que están configuradas para proporcionar una conexión de estilo bayoneta con el portador 134. En la realización mostrada, la cara delantera 136 es en general plana. La punta de pistón 132 está fabricada de un acero para herramientas que tiene una mayor tenacidad y un límite elástico más alto que el acero para herramientas trabajado en caliente, y en esta realización la punta de pistón 132 está fabricada de acero AISI de la clase 4340.

La punta de pistón 132 tiene una cavidad interna definida por una superficie interior delantera 142 y una superficie interior cilíndrica 144. La superficie interior delantera 142 y la superficie interior cilíndrica 144 de la punta de pistón 132 tienen unas ranuras formadas en las mismas, que funcionan conjuntamente con las ranuras formadas en el portador 134 para proporcionar unos canales para transportar un fluido refrigerante a través del pistón ensamblado 130 durante su operación. En esta realización, la superficie interior delantera 142 tiene una pluralidad de ranuras curvas 150 formadas en la misma. Cada ranura curva 150 tiene una anchura w, y se extiende desde un rebaje central 152 a lo largo de una longitud de arco L que tiene un radio de curvatura r, como se muestra en la figura 8. En la realización mostrada, la superficie interior delantera 142 tiene cuatro (4) ranuras curvas 150 formadas en la misma, ocupando cada ranura curva 150 solo un cuarto respectivo del área, o "cuadrante" Q, de la superficie interior delantera 142. El inventor ha descubierto que al extender la longitud L y/o el radio de curvatura r de las ranuras curvas de tal manera que cada ranura curva ocupe más de un (1) cuadrante Q da como resultado un calentamiento excesivo del fluido refrigerante. La superficie interior cilíndrica 144 tiene una primera ranura circunferencial 154 formada en la misma inmediatamente adyacente a la cara delantera 142, una primera nervadura que se proyecta hacia dentro 156 hacia atrás de la primera ranura circunferencial 154 que tiene una pluralidad de ranuras inclinadas separadas circunferencialmente 158 formadas en la misma, una segunda ranura circunferencial 162 formada hacia atrás de la primera nervadura que se proyecta hacia dentro 156, y una segunda nervadura que se proyecta hacia dentro 164 hacia atrás de la segunda ranura circunferencial 162, como se muestra en la figura 9. Como se entenderá, cada ranura inclinada 158 extiende la anchura de la nervadura 156 en una dirección que está inclinada hacia el eje longitudinal A del pistón 130.

El portador 134 comprende un cuerpo en general cilíndrico y alargado, que tiene una parte delantera 168 conformada para engancharse de forma coincidente con la cavidad interna de la punta de pistón 132. Hacia atrás de la parte delantera 168 hay un collar 172 de mayor diámetro que tiene una superficie delantera 174 configurada para apoyarse en la superficie trasera 138 de la punta de pistón 132 en el pistón ensamblado 130. Una pluralidad de orejetas 176 se extienden hacia fuera desde la parte delantera 168 y funcionan conjuntamente con las orejetas 140 de la punta de pistón 132 para proporcionar una conexión de estilo bayoneta, cuando el portador 134 y la punta de pistón 132 se acoplan y rotan a su posición para formar el pistón ensamblado 130. El collar 172 tiene un par de muescas 178 formadas en la superficie delantera del mismo, estando cada muesca 178 configurada para funcionar conjuntamente con una muesca complementaria 180 formada en la superficie trasera 138 de la punta de pistón 132 para alojar un respectivo tornillo de bloqueo 182, para evitar el movimiento de rotación relativo de la punta de pistón 132 y el portador 134 en el pistón ensamblado 130. El portador 134 está fabricado de un acero para herramientas que tiene una mayor tenacidad y un mayor límite elástico que el acero para herramientas trabajado en caliente, y en esta realización el portador 134 está fabricado de acero AISI de la clase 4340.

El portador 134 tiene una pluralidad de conductos internos formados en el mismo para transportar un fluido refrigerante a través del pistón ensamblado 130 durante su operación. Tal y como se muestra en la figura 4, los conductos internos comprenden un conducto interno delantero 184 para el suministro del fluido refrigerante, y un conducto interno trasero 186 para la retirada del fluido refrigerante. Como se entenderá, el fluido refrigerante se suministra y se retira del portador 134 a través de los conductos correspondientes (no mostrados) en el interior del vástago de pistón. En esta realización, el fluido refrigerante es agua, aunque otro fluido refrigerante (como aire, por ejemplo) puede usarse como alternativa.

La parte delantera 168 del portador 134 tiene una cara delantera en general plana 188, cuyo centro está intersecado por el conducto interno delantero 184, y una superficie cilíndrica exterior 192 hacia atrás de la cara delantera 188 en la que se forman una pluralidad de ranuras. La cara delantera 188 y estas ranuras funcionan conjuntamente con las ranuras formadas en la cavidad interna de la punta de pistón 132 para proporcionar unos canales para transportar un fluido refrigerante a través del pistón ensamblado 130 durante su operación. Como se muestra en las figuras 5 y 6, la superficie cilíndrica 192 tiene un bisel delantero 196 formado adyacente a la cara delantera 188, una superficie intermedia 198 hacia atrás del bisel 196 que tiene una pluralidad de ranuras axiales que se extienden hacia atrás 202 formadas en el mismo, y una ranura circunferencial 204 formada hacia atrás de la superficie intermedia 198. Las ranuras axiales 202 se extienden desde la cara delantera 188 solo una parte de la anchura de la superficie intermedia 198, y en una dirección que es paralela al eje longitudinal A del pistón 130. Como se entenderá, las ranuras axiales 202 están colocadas de tal manera que en general coinciden con los extremos 206 de las ranuras curvas 150 formadas en la punta de pistón 132, cuando la punta de pistón 132 y el portador 134 se acoplan y rotan a su posición para formar el pistón ensamblado 130. Una pluralidad de conductos 208 están formados dentro del portador 134 y se extienden desde la ranura circunferencial 204 hasta el conducto interno trasero 186.

En uso, el pistón ensamblado 130 se instala en el vástago de pistón y se inserta en el orificio de pistón 122. Al comienzo de un ciclo de carrera, el pistón se coloca en su posición inicial en el orificio de pistón 122, y se introduce un volumen del metal líquido en el orificio de pistón 122 por delante del pistón 130 a través del orificio 126. A continuación, el pistón se mueve hacia delante a través del orificio de pistón 122 para empujar el volumen del metal líquido hacia la cavidad de molde para formar una pieza de fundición de metal, y a continuación se mueve hacia atrás a su posición inicial para completar el ciclo de carrera. Durante el ciclo, el fluido refrigerante suministrado por el vástago de pistón se hace circular a través del interior del pistón 130 a través de, en secuencia general, el conducto interno 184, el rebaje central 152 y las ranuras curvas 150, la primera ranura circunferencial 154, las ranuras axiales 202, las ranuras inclinadas 158, la segunda ranura circunferencial 162, los conductos 208, y el conducto interno 186, y a continuación se retira posteriormente por el vástago de pistón, para refrigerar el pistón 130. El ciclo de carrera se repite, según se desee, para producir múltiples piezas de fundición de metal.

Como se apreciará, colocar las ranuras 150 en la punta de pistón 132, en lugar de en la cara delantera del portador como en los pistones convencionales, permite ventajosamente que el fluido refrigerante se suministre más cerca de la cara delantera 156 de la punta de pistón 132. Como se entenderá, debido a que la cara delantera 156 entra en contacto con el volumen de aleación fundida durante la operación, la parte de la punta de pistón 132 cerca de la cara delantera 156 requiere mayor refrigeración. La colocación de las ranuras 150 en la punta de pistón 132 permite ventajosamente que el pistón 130 se refrigere más eficientemente, en comparación con los pistones convencionales que tienen ranuras en el portador.

Como se entenderá, la longitud del recorrido A del fluido refrigerante desde el centro del rebaje central 152 hasta el extremo 206 de cada ranura curva 150 es A = L + (2 x 0,5w). Como se apreciará, en virtud de la forma no lineal de la ranura curva 150, la longitud del recorrido A es mayor y más sinuoso, que simplemente el radio lineal de la superficie interior delantera 142 de la punta de pistón 132. La mayor longitud de recorrido aumenta ventajosamente el área de la punta de pistón 132 en contacto con el fluido refrigerante y, por lo tanto, permite que el pistón 130 se refrigere más eficientemente en comparación con los pistones convencionales.

Como se entenderá, limitando la longitud L de las ranuras curvas 150 de tal manera que cada ranura curva 150 ocupe solo un único cuadrante respectivo Q del área de la superficie interior delantera 142 evita ventajosamente el calentamiento excesivo del fluido refrigerante durante su operación, lo que permite que el pistón se refrigere más eficientemente.

Como se apreciará, la fabricación de la punta de pistón 132 de acero para herramientas que tiene alta tenacidad y alto límite elástico permite que las partes del pistón 130 que hacen contacto o están en proximidad con el metal líquido, pero que no entran en contacto con la superficie del orificio de pistón 122, tengan una mayor resistencia a un fallo por choque térmico, en comparación con los pistones convencionales que tienen cabezas de pistón y cuerpos fabricados de otros materiales. Como también se aprecia, la refrigeración más eficiente evita ventajosamente que el acero para herramientas alcance temperaturas superiores o cercanas a la temperatura de revenido del acero para herramientas durante su operación. Ventajosamente, estas características permiten que el pistón 130 sea más duradero y proporcionan una vida útil más larga que los pistones de fundición a presión convencionales.

Como se apreciará, el pistón 130 es particularmente adecuado para su uso en orificios de pistón 122 que tienen grandes diámetros ya que, a temperaturas normales de operación de fundición a presión, los pistones más grandes se expanden térmicamente en la dirección radial una distancia absoluta mayor en comparación con los pistones usados en orificios que tienen un diámetro más pequeño. Como se entenderá, el espacio entre la superficie exterior del pistón y la superficie interior del orificio de pistón es el mismo para pistones más grandes y más pequeños y, como resultado, la refrigeración eficiente es particularmente importante para los pistones usados en orificios de pistón 122 que tienen un gran diámetro.

Aunque en la realización descrita anteriormente, la punta de pistón 132 tiene cuatro (4) ranuras curvas 150 formadas en la superficie interior delantera 142, en otras realizaciones, la punta de pistón 132 puede tener como alternativa menos o más de cuatro (4) ranuras curvas formadas en la misma.

Aunque en la realización descrita anteriormente, la punta de pistón y el portador están fabricados de acero AISI de la clase 4340, en otras realizaciones, uno o ambos de la cabeza de pistón y el cuerpo pueden como alternativa estar fabricados de acero AISI de la clase 300M o acero AISI de la clase 4140, o de cualquier acero equivalente no AISI de la clase 4340, 300M o 4140. En otras realizaciones más, uno o ambos de la cabeza de pistón y el cuerpo pueden fabricarse como alternativa de cualquier acero para herramientas resistente a golpes que tenga una tenacidad y un límite elástico más altos que el acero para herramientas trabajado en caliente.

En otras realizaciones, una o ambas de la punta de pistón y el portador pueden fabricarse como alternativa de un acero para herramientas que tenga la siguiente composición (expresada en porcentaje en peso): de aproximadamente 0,32 % a aproximadamente 0,48 % de carbono (C); de aproximadamente 0,50 % a aproximadamente 1,50 % de cromo (Cr); de aproximadamente 0,40 % a aproximadamente 1,30 % de manganeso (Mn); y de 0,05 % a aproximadamente 0,90 % de molibdeno (Mo), estando el resto está constituido principalmente por hierro (Fe), con otros elementos de aleación opcionales e impurezas inevitables. Sin embargo, la composición del acero para herramientas no se limita a ninguna composición única específica. Preferentemente, la composición del acero para herramientas comprende de aproximadamente 0,36 % a aproximadamente 0,48 % C. Más preferiblemente, la composición del acero para herramientas comprende de aproximadamente 0,37 % a aproximadamente 0,46 % C. Preferiblemente, la composición del acero para herramientas comprende de aproximadamente 0,70 % a aproximadamente 1,10 % de Cr. Más preferentemente, la composición del acero para herramientas comprende de aproximadamente 0,70 % a aproximadamente 0,95 % de Cr. Preferentemente, la composición del acero para herramientas comprende de aproximadamente un 0,50 % a aproximadamente un 1,10 % de Mn. Más preferentemente, la composición del acero para herramientas comprende de aproximadamente 0,60 % a aproximadamente 1,00 % de Mn. Preferentemente, la composición del acero para herramientas comprende de aproximadamente 0,10 % a aproximadamente 0,80 % de Mo. Más preferentemente, la composición del acero para herramientas comprende de aproximadamente 0,15 % a aproximadamente 0,65 % de Mo. El acero para herramientas puede ser el descrito, por ejemplo, en la solicitud PCT internacional N.° PCT/CA2017/051189 de Exco Technologies Limited, presentada el 5 de octubre de 2017 y titulada "TOOL STEEL COMPOSITION FOR COMPONENT OF DIE-CASTING APPARATUS OR OF EXTRUSION PRESS", cuyo contenido se incorpora en el presente documento como referencia en su totalidad.

Aunque en las realizaciones descritas anteriormente, tanto la punta de pistón como el portador están fabricados de un material que tiene mayor tenacidad y un mayor límite elástico que el acero para herramientas trabajado en caliente, en otras realizaciones, como alternativa, solo la punta de pistón puede fabricarse de un material que tenga mayor tenacidad y un mayor límite elástico que el acero para herramientas trabajado en caliente. En otras realizaciones más, uno o ambos de la punta de pistón y el portador pueden como alternativa estar fabricados de otro material, tal como acero de la clase DIN 1.2367 trabajado en caliente, acero de la clase H13, una aleación de beriliocobre, o incluso otro material adecuado.

El siguiente ejemplo ilustra diversas aplicaciones de las realizaciones descritas anteriormente.

EJEMPLO

Se realizaron simulaciones térmicas por ordenador tridimensionales (3-D) para pistones a modo de ejemplo que tienen diferentes configuraciones de ranuras para determinar el efecto de la configuración de ranura en la eficiencia de refrigeración. Las simulaciones se realizaron con SOLIDWORKS™ Professional software, de Dassault Systémes SE.

Las figuras 10A a 10D muestran cuatro (4) pistones a modo de ejemplo usados para las simulaciones. Cada pistón comprende una punta de pistón y un portador de pistón, estando cada uno fabricado de acero AISI de la clase 4340. La figura 10A muestra un pistón 330 que comprende una punta de pistón 332 y un portador de pistón 334, denominado en lo sucesivo en el presente documento "Pistón A". La punta de pistón 332 tiene una superficie interior delantera convencional que es en general plana, teniendo solo un rebaje central formado en el mismo sin otras ranuras. De otro modo, la punta de pistón 332 es idéntica a la punta de pistón 132 descrita anteriormente. El portador 334 tiene una cara delantera convencional con unas ranuras radiales lineales formadas en el mismo, y una superficie cilindrica que tiene unas muescas donde se intersecan las ranuras radiales lineales; de otro modo, el portador 334 es idéntico al portador 134 descrito anteriormente.

La figura 10B muestra un pistón 430 que comprende una punta de pistón 432 y el portador de pistón 134, denominado en lo sucesivo en el presente documento "Pistón B". La punta de pistón 432 tiene una superficie interior delantera que tiene una pluralidad de ranuras radiales lineales formadas en el mismo que se extienden desde un rebaje central; de otro modo, la punta de pistón 432 es idéntica a la punta de pistón 132 descrita anteriormente. El portador 134 se ha descrito anteriormente.

La figura 10C muestra el pistón 130 que comprende la punta de pistón 132 y el portador de pistón 134, descrito anteriormente, y que se denomina en lo sucesivo en el presente documento "Pistón C".

La figura 10D muestra un pistón 530 que comprende una punta de pistón 532 y el portador de pistón 134, denominado en lo sucesivo en el presente documento "Pistón D". La punta de pistón 532 tiene una superficie delantera interna en la que se forman unas ranuras curvas y un rebaje central, similares a los formados en la superficie interior delantera 142 de la punta de pistón 132, pero que está colocada más cerca de la cara delantera 536 de la punta de pistón 532 en comparación con la punta de pistón 132. Además, la superficie delantera interna está cubierta por una capa de material de cobertura que define la superficie interior delantera de la punta de pistón 532, y que tiene una abertura central formada en la misma que está alineada y en comunicación de fluidos con el rebaje central formado en la superficie delantera interna. De esta manera, las ranuras curvas, el rebaje central y la capa de material de cobertura definen efectivamente unos canales curvos internos o "cerrados" dentro de una parte delantera de la punta de pistón 532 para proporcionar una refrigeración interna. Los extremos de los canales curvos están en comunicación de fluidos con la superficie interior cilíndrica de la punta de pistón 532 a través de conductos respectivos. De otro modo, la punta de pistón 532 es idéntica a la punta de pistón 132 descrita anteriormente. Como se entenderá, la punta de pistón 532 puede fabricarse, por ejemplo, usando una técnica de fabricación aditiva. El portador 134 se ha descrito anteriormente.

Se usó un pistón de 13,97 cm (5,5 pulgadas) de diámetro para las simulaciones. Las simulaciones se realizaron para varios ciclos de carrera sucesivos, comprendiendo cada ciclo de carrera 30 segundos de contacto entre el pistón y un volumen de aleación de aluminio fundido A356 con una temperatura inicial de 670 °C y una longitud de 5,08 cm (2"), seguido de 30 segundos sin contacto. Se hizo circular continuamente agua que tenía una temperatura de 27 °C a través de cada pistón durante el ciclo de carrera. La temperatura inicial del pistón al comienzo del primer ciclo era de 50 °C. Las simulaciones implicaron cálculos dependientes del tiempo para permitir la determinación del historial térmico tanto del pistón como de la aleación de aluminio. Las simulaciones consideraron que el calor latente de solidificación explica al menos la solidificación parcial de la aleación durante cada ciclo de carrera.

La Tabla 1 muestra las temperaturas promedio, mínima y máxima calculadas en la cara delantera de la punta de pistón en diversos momentos durante los primeros dos (2) ciclos de carrera, para cada uno de los pistones mostrados en las figuras 10A a 10D:

Como se entenderá, los tiempos t = 30 s, t = 60 s, t = 90 s y t = 120 s corresponden a los extremos de la primera parte de contacto, la primera parte de refrigeración (es decir, sin contacto), la segunda parte de contacto y la segunda parte de refrigeración, respectivamente. Como puede verse, la temperatura promedio más baja calculada al final de cada parte de contacto (es decir, en t = 30 s y t = 90 s) se observó para el Pistón C, en comparación con los Pistones A, B y D. Los resultados indican que la configuración de ranura del Pistón C proporciona una refrigeración más efectiva de la cara delantera, en comparación con las configuraciones de ranura de los Pistones A, B y D.

Las figuras 11A a 11D son unas gráficas de la temperatura calculada en función de la posición en la cara delantera en t = 90 s para los cuatro (4) pistones mostrados en las figuras 10A a 10D, respectivamente. Para todas las configuraciones, la temperatura calculada es más baja en el centro de la cara delantera y más alta en la periferia. Sin embargo, como puede verse, la distribución de temperatura calculada en la cara delantera es visiblemente más uniforme para el Pistón C, en comparación con los Pistones A, B y D.

Las figuras 12A y 12B son unas gráficas de la temperatura calculada en el centro de la cara delantera en función del tiempo, para los cuatro (4) pistones mostrados en las figuras 10A a 10D. Como puede verse, la temperatura máxima calculada durante cualquier ciclo de carrera es la más baja para el Pistón C (por ejemplo, T = 455 °C en t = 72 s), en comparación con el Pistón B (T = 457 °C en t = 72 s), Pistón D (T = 463 °C en t = 67 s) y Pistón A (T = 469 °C en t = 74 s). Estos resultados indican que la configuración de ranura del Pistón C proporciona una refrigeración más efectiva en el centro de la cara delantera, en comparación con las configuraciones de ranura de los Pistones A, B y D. Además, la diferencia en la temperatura máxima calculada entre el Pistón C y los Pistones A, B y D se observó que aumentaba a medida que aumentaba el número de ciclos de carrera.

La figura 13 es una representación gráfica de la temperatura calculada en función de la distancia a lo largo del eje longitudinal del pistón al final de la parte de contacto del segundo ciclo (es decir, en t = 90 s), para los cuatro (4) pistones mostrados en las figuras 10A a 10D. En esta representación, la distancia, d, es relativa a la cara delantera de la punta de pistón, de tal manera que un valor de cero (d = 0) está en la cara delantera (específicamente, en el centro de la cara delantera), un valor negativo (d < 0) está dentro de la punta de pistón y un valor positivo (d > 0) está dentro del volumen de aleación de aluminio empujada por la cara delantera. Como se entenderá, la zona de solidificación de la aleación A365 varía de aproximadamente 560 °C a aproximadamente 600 °C y, como resultado, al final de la parte de contacto de un ciclo de carrera, una parte del volumen de la aleación de aluminio por delante de la punta de pistón ha comenzado a solidificarse.

Como puede verse, aunque la temperatura en la cara delantera (D = 0) es la más baja para el Pistón D (T = 430 °C en t = 90 s, como también se indica en la Tabla I), la configuración de ranura del Pistón C refrigera de manera más efectiva el volumen de la aleación de aluminio, como lo demuestra la distancia por delante de la punta de pistón a la que se ha refrigerado la aleación de aluminio de 600 °C. Estos resultados indican que la configuración de ranura del Pistón C proporciona una mejor refrigeración de la aleación de aluminio y, por lo tanto, una mayor cantidad de solidificación parcial de la aleación de aluminio, en comparación con las configuraciones de ranura de los Pistones A, B y D.

Aunque las realizaciones se han descrito anteriormente haciendo referencia a los dibujos adjuntos, los expertos en la materia apreciarán que pueden realizarse variaciones y modificaciones sin apartarse del alcance de las mismas tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Un pistón de un aparato de fundición a presión, comprendiendo el pistón:

una punta de pistón que tiene un cuerpo en general en forma de copa que tiene una cara delantera interior y una superficie cilíndrica interior, teniendo la cara delantera interior una pluralidad de ranuras formadas en la misma para transportar un fluido refrigerante; y

un portador de pistón interior acoplado a la punta de pistón, comprendiendo el portador una parte delantera alargada que se engancha de forma coincidente con la punta de pistón.

2. El pistón de la reivindicación 1, en donde las ranuras comprenden unas ranuras curvas que se extienden desde el centro de la cara delantera interior hasta la periferia de la cara delantera interior.

3. El pistón de la reivindicación 2, en donde cada ranura curva se extiende dentro de solo un cuarto de la cara delantera interior.

4. El pistón de la reivindicación 2, en donde las ranuras comprenden además un rebaje en el centro de la cara delantera.

5. El pistón de la reivindicación 1, en donde la parte delantera del portador comprende:

una cara delantera en general plana que comprende una abertura a través de la que se suministra un fluido refrigerante; y

una superficie cilindrica que tiene una pluralidad de ranuras adicionales formadas en la misma.

6. El pistón de la reivindicación 5, en donde las ranuras adicionales comprenden unas ranuras axiales que se extienden desde la cara delantera del portador.

7. El pistón de la reivindicación 6, en donde las ranuras axiales se forman en una superficie intermedia de la superficie cilíndrica, extendiéndose las ranuras axiales una parte de la anchura de la superficie intermedia.

8. El pistón de la reivindicación 7, en donde la superficie intermedia se extiende por toda una revolución completa alrededor del eje longitudinal del portador.

9. El pistón de la reivindicación 7, en donde las ranuras adicionales comprenden además:

una ranura circunferencial que se extiende por toda la superficie cilíndrica hacia atrás de la superficie intermedia.

10. El pistón de la reivindicación 9, en donde la ranura circunferencial se extiende por toda una revolución completa alrededor del eje longitudinal del portador.

11. El pistón de la reivindicación 9, que comprende además al menos un conducto que se extiende desde la ranura circunferencial hasta el interior del portador.

12. El pistón de la reivindicación 1, en donde la punta de pistón está fabricada de acero AISI de la clase 4340, acero AISI de la clase 300M, o acero AISI de la clase 4140, o cualquier equivalente de composición de los mismos.

13. El pistón de la reivindicación 1, en donde el portador está fabricado de acero AISI de la clase 4340, acero AISI de la clase 300M, o acero AISI de la clase 4140, o cualquier equivalente de composición de los mismos.

14. Un aparato de fundición a presión que comprende el pistón de la reivindicación 1.

15. El aparato de fundición a presión de la reivindicación 14, en donde el aparato de fundición a presión es un aparato de fundición a presión al vacío.