Victor
David Bravo Morocho. [1], =
Edison
Patricio Abarca Pérez. [2], =
Santiago
Alejandro López Ortíz. [3] &=
amp;
Jhon Jesus Freire B=
ravo. [4]
Recibido:
21-06-2021 / Revisado: 30-06-2021 /Aceptado: 18-07-2021/ Publicado: 05-08-2=
021
A head prototype of a 100cc single
cylinder two-stroke engine was manufactured using reverse engineering and t=
he
CAD / CAM method, the research begins with the mechanical and chemical
characterization of a reference head (AX100), to then geometrize it using
Computer Aided Design (CAD) software and print it on a 3D printer, once the
printed mold is obtained, the preparation proceeded of the sand with calcium
silicate, where it was molded and carbon dioxide was injected to harden the
mold, they were joined and the aluminum was melted, 1.92% zinc, 1.35% silic=
on
and 1.62% were added. of copper in the casting, sodium and tin were also ad=
ded
to remove the gases and obtain a more fluid casting until reaching a
temperature of 1000 degrees Celsius, finally, the cast head was machined on=
a 3-axis
machining center and an on-site test was performed on a test internal combu=
stion
engine; a prototype head was obtained with a 392 series aluminum with an
average hardness of 110HB fully functional and with characteristics similar=
to
the reference head; it is recommended to use the green casting method since=
it
allows obtaining complex geometries and considering the mass composition of
each alloying element since when aluminum is melted these evaporate around =
2 to
3%.
Resumen.
Se
manufacturo un prototipo de cabezote de un motor de dos tiempos mono cilind=
ro
100cc aplicando ingeniería inversa y el método CAD/CAM, la investigación in=
icia
con la caracterización mecánica y química de un cabezote de referencia (AX1=
00),
para seguidamente geometrizarlo mediante un sof=
tware
de Diseńo Asistido por Computadora (CAD) e imprimirlo en una impresora 3D, =
una
vez obtenido el molde impreso se procedió a la preparación de la arena con
silicato de calcio, donde se moldeo y se procedió a inyectar dióxido de car=
bono
para endurecer el molde, se unieron y se procedió a fundir el aluminio, se =
agregó
1.92% de zinc, 1.35% de silicio y 1,62% de cobre en la colada además se
agregaron sodio y estańo para sustraer los gases y obtener una colada más
fluida hasta alcanzar una temperatura de 1000 grados Centígrados, finalment=
e se
mecanizo el cabezote fundido en un centro de mecanizado de 3 ejes y se real=
izó
una prueba insitu en un motor de combustión int=
erna
de pruebas; se logró obtener un prototipo de cabezote con un aluminio de la
serie 392 con una dureza promedio de 110HB totalmente funcional y con
características similares al cabezote de referencia; se recomienda utilizar=
el
método de fundición en verde ya que permite obtener geometrías complejas y
considerar la composición másica de cada elemento alea=
nte
ya que al fundir el aluminio estos se evaporan alrededor de un 2 a 3%
Palabras claves: Aleaciones ligeras; aluminio;
cabezote; ingeniería inversa; método CAD/CAM.
Intro=
ducción.
La
producción manufacturera del ecuador ha sido de poco interés y de menor
porcentaje en el campo automotriz debido a los repuestos importados a preci=
os
bajos y accesibles a los usuarios, principalmente las autopartes de recambio
del motor de combustión interna
La
investigación se enfoca en el diseńo y construcción de un cabezote de un mo=
tor
de dos tiempos mono cilíndrico mediante la utilización de la ingeniería inv=
ersa
y métodos CAD/CAM, ya que, en Ecuador no se cuenta con procesos de manufact=
ura
de piezas automotrices conformantes de un motor de combustión interna tanto
móviles como fijas, por tal razón, se manufacturo un cabezote aplicando mét=
odos
de desagregación tecnológica automotriz
Así,
el presente proyecto permitirá mostrar los procesos que se requieren para
obtener un cabezote con las mismas características de un producto importado=
de características
similares, acogiéndose a las normas nacionales e internacionales que permit=
an
caracterizar un cabezote, así como también, los procesos de manufactura para
profundizar los conocimientos teóricos sobre los procesos de diseńo CAD/CAM,
así mismo en los procesos de especificación del material que se deberá util=
izar
para la obtención de la pieza e incentivar a la población local en la manuf=
actura
de piezas automotrices
Cabezote de motor de =
dos
tiempos.
El
cabezote o culata dispone del sistema de refrigeración aleteado si es por a=
ire,
y con conductos de circulación de líquido en el caso de ser la refrigeración
por líquido. Hay culatas refrigeradas por líquido que incorporan un culatín=
(Escudero
S, 2011).
Figura 1. Composición de microestructura.
Fuente: Escudero, S. 2011.
Las
culatas de fundición de hierro se siguen empleando en grandes motores, como=
en
maquinaria de obras públicas, camiones, etc., donde las culatas son de gran=
des
dimensiones y, por ello, más propensas a alabeos. En estos casos se elige la
fundición de hierro porque es más resistente que las aleaciones ligeras de
aluminio
Las
aleaciones ligeras tienen la ventaja de reducir el peso y, sobre todo, de t=
ener
un alto coeficiente de disipación térmico. Sus principales inconvenientes s=
on
la menor resistencia al alabeo con el calor.
Las
aleaciones ligeras llevan aleados aluminio,
magnesio y silicio. Este último=
da
resistencia a la culata, aunque dificulta los mecanizados posteriores. Estas
culatas son, con diferencia, las más empleadas en la actualidad. Los proces=
os
de fabricación de las aleaciones ligeras son las fundiciones en coquilla a =
baja
presión y, las más modernas, de molde positivo o perdido, llamado también <=
span
class=3DSpellE>lost foam (=
Escudero
S, 2011).
Ingeniería inversa.
Se
interpreta a la ingeniería inversa como la técnica de copiado de geometrías=
en
diferentes aplicaciones artísticas, prototipado de elementos mecánicos, etc.
Sin embargo, la ingeniería inversa es el proceso mediante el cual, el diseń=
ador
parte de la existencia de un sistema, elemento, o aplicación de ingeniería =
en
cuestión para realizar su reproducción e innovación de forma eficiente y
rápida, en especial cuando se trata de geometrías complejas (Monroy M, 2013=
).
Entre
las aplicaciones más importantes de la ingeniería inversa mediante la
digitalización de objetos, es el diseńo y prototipado para la fabricación de
elementos mecánicos en el campo aeronáutico y automotriz en la copia y répl=
icas
de modelos, en la generación de nuevos productos, en el mantenimiento e
inspección dimensional en el desgaste de elementos mecánicos, en la manufac=
tura
y reconstrucción de prótesis médicas, aplicaciones electrónicas, etc. Sin
embargo, como se mencionó anteriormente, la reproducción de geometrías no es
suficiente, es necesario la utilización de tecnologías de manufactura, para
lograr la reproducción y manufactura de los elementos mecánicos en la indus=
tria
automotriz. Por lo tanto, la geome=
tría
adquirida es necesario que se lleve a un proceso de manufactura, mediante
impresión 3D, o procesos de inyección y/o mecanizado para lograr construir =
los
elementos mecánicos en estudio, para lo cual, se utiliza software de diseńo=
que
permiten procesar la geometría copiada mediante herramientas de manufactura
computarizados como CAD, CAM y CAE=
, que
son parte de los diferentes procesos de ingeniería directa e ingeniería
inversa para lograr alcanzar resul=
tados
confiables (Villarreal C, 2019).
Normas internacionale=
s.
Las normas son
acuerdos documentados, generalmente voluntarios, en los que se establecen
criterios para productos, servicios y procedimientos. Mediante las normas se
garantiza que los productos y servicios sean adecuados, comparables y
compatibles para la finalidad prevista
(Gmbh P, 2018).
La norma UNE EN
12890:2001, establece las distintas calidades de=
los
moldes en función de los materiales que estén constituidos. La madera es el
material más común por su facilidad en la generación del modelo. El
recubrimiento de su superficie con una fina capa de pintura facilita su
extracción pues evita su adhesión con la arena en verde, confiriendo además
impermeabilidad. El ángulo de salida para el desmoldeo para moldes de mader=
a se
encuentra entre 3° y 0,5°. Así mismo se establecen las sobremedidas para el
mecanizado de piezas fundidas tanto ferrosas como no ferrosa (García J, 201=
6).
Metodologia.
Para determinar las
propiedades mecánicas del cabezote de referencia se realiza las 4 pruebas
fundamentales para caracterizar el material, siendo el ensayo de metalograf=
ía,
micrografía, espectrometría y dureza como se muestra a continuación
ASTM E10-01 (Standard Test Method for Brinell Hard=
ness
of Metallic Materials), ASTM ASTM E3 01 (Stand=
ard
Practice for Preparation of Metallographic Specimens), ASTM E407 -07(2015) =
e1
(Standard Practice for Microetching Metals and
Alloys), ASTM E1251 17a (Standard
Test Method for
Analysis of Aluminum
and Aluminum Alloys by Spark
Atomic Emission Spectrometry), ASTM E350 18 (Standard Test Methods for
Chemical Analysis of Carbon Steel, Low-Alloy Steel, Silicon Electrical Stee=
l,
Ingot Iron, and Wrought Iron)
Ensayo de metalografí=
a y
micrografía.
Se obtuvo una probeta=
de
una aleta del cabezote de referencia y se preparó según la norma ASTM E3-11=
, 2017.
Para realizar las pru=
ebas
se realizó el ataque químico con Nital a la pro=
beta y
se procedió a observar en el microscopio, donde se obtuvo la micrografía y =
análisis
según la norma ASTM E112-13 como se puede ver en la Figura 2 a continuación=
.
Figura 2. Fuen=
te: Escudero, S. 2011. Mediante la micrograf=
ía
obtenida en la figura 2 por el método comparativo se observó y analizó que =
es
una aleación de aluminio silicio en la cual se tiene cristales de silicio=
con
una matriz de composición eutéctica. Así mismo mediante la aplicación del
software ImageJ se obtuvo los porcentaje=
s de
Silicio en el cual se estima en un 22,17% de Silicio en la micrografía. Det=
erminando
que se trata de una aleación EZL18 (Wang R, 2012). Ensayo
de espectrometría. Una vez preparada la
probeta se procede a realizar el estudio mediante la norma ASTM E716-16, en=
el
espectrómetro BRUKER Q2 ION, donde se realizó el ensayo, dando como resulta=
do
la Figura 3 a continuación. Gráfico 1. Resultados de análisis de probeta. Fuente: Elaboración propia. Con
los resultados obtenidos en el Gráfico 1, se procede a comparar con los
porcentajes y se constata que en la tabla que expone (Millán F, 2016) se tr=
ata
de una aleación de aluminio de la serie 3XX.X de moldeo Ensayo de dureza.
En el ensayo de durez=
a se
utilizó la probeta que se realizó el análisis metalográfico y se analizó se=
gún la
norma ASTM E10-18, 2018.
Se coloco la probeta =
en
el durómetro con un identador de carburo de tun=
gsteno
de 2.5mm, se procedió a la prueba y con una carga de 613 N se obtiene una
huella en la probeta, en la cual se observó en un microscopio y se obtuvier=
on
las medidas longitudinales de la huella en la probeta l1 y l2. Mediante la
aplicación de la fórmula para obtener la dureza Brinell (1) se procede a re=
emplazar
los datos para realizar su respectivo calculo
Con la dureza Brinell=
de
110HB (2) se confirma que es un aluminio aleado y con los ensayos antes afi=
rmando
una aleación de la serie 392 según ASM H, 2004.
Geometrización y obtención de los moldes de fundición, códigos ISO y elaboración de planos.<= o:p>
En esta sección se
realizan los procedimientos previos para poder realizar la fundición del
cabezote ya que se creó un cabezote con las mismas dimensiones y con las mi=
smas
características tanto físicas como mecánicas
Se empezó con el geometrizado de la parte inferior del cabezote siendo=
la
parte esencial del elemento la cual se asientan las aletas de enfriamiento<=
w:Sdt
Citation=3D"t" ID=3D"-1977757980"> (Freire Bravo, 2021)=
.
Una
vez geometrizado la base se procedió a geometrizar las aletas y se realizaron los respectivos
acabados tanto de inclinaciones como de redondeados
Para=
el
porceso de obtencion de moldes se tomo en cuenta la contracicon del materia=
l de
fundicion por lo que en la tabla que expone (Rocabruna J, 2018) se realizara un incremento de las dimensiones
del cabezote geometrizado de 3% y se modificara=
el
cabezote mediante la sustracción de la aleta superior y de las tapas inferi=
ores
para facilitar la impresión 3D
Así
mismo se separaron la aleta superior y las tapas inferiores y se procedió a
realizar el corte laser como se muestra en la Figura 3, a continuación.
Figura 3. Tapas y caja realizadas en corte laser.
Fuente: Elaboración propia.
Para la obtención de =
los
códigos ISO se realizó en el software Siemens Nx11, en el cual se realizaron
las operaciones para mecanizar la cámara de combustión, en la cual se empezó
con el aplanado de la superficie, se perforo el orificio central para la bu=
jía,
se realizó una primera pasada en la cavidad, una vez terminado ese proceso =
se
realiza una segunda pasada y para culminar la cámara de combustión se reali=
za
un acabado, se termina el proceso de mecanizado con las perforaciones de los
agujeros de los pernos que se sujetan al cabezote. Por lo que una vez
realizadas estas operaciones se procedió a la verificación de las operacion=
es como
se muestra en la Figura 4, verificando que no haya choques de las herramien=
tas
como en las trayectorias. Una vez realizado este proceso se obtuvo los códi=
gos
ISO
Figura 4. Perforado de cavidades de sujeción de pernos.
Fuente: Elaboración propia.
Con
el prototipo de cabezote geometrizado se realiz=
aron
los planos constructivos de las vistas principales como se ve en la Figura =
5, donde
se detallan todas las medidas, ángulos de inclinación, redondeos y acabados
superficiales que tiene el cabezote, así mismo todos los detalles del cabez=
ote
tanto interna como externamente
Figura 5. Planos constructivos del prototipo de cabezote.<= o:p>
Fuente: Elaboración propia.
Manufactura del cabez=
ote
de motor empleando técnicas de fundición y maquinado CNC.
Se inicia con el mold=
eo en
arena donde se realizan los respectivos cálculos de volumen de la mazarota =
(3),
diámetro de la mazarota (4) y módulo de enfriamiento de la mazarota (5)
Datos del cabezote geometrizado:
Mazarota:
Volumen
mínimo:
Diámetro
de mazarota:
Módulo
de enfriamiento:
=
<=
span
style=3D'font-size:11.0pt;line-height:115%;font-family:"Calibri",sans-serif;
mso-ascii-theme-font:minor-latin;mso-fareast-font-family:"Times New Roman";
mso-fareast-theme-font:minor-fareast;mso-hansi-theme-font:minor-latin;
mso-bidi-font-family:"Times New Roman";mso-bidi-theme-font:minor-bidi;
mso-ansi-language:ES;mso-fareast-language:ES;mso-bidi-language:AR-SA'>
=
Dimensiones
de la mazarota:
Para el cálculo del
bebedero se toma en cuenta la ley de Torricelli (6), así mismo se calcula el
diámetro base del bebedero tanto el diámetro 2 (7) como el diámetro 1 (8). =
Bebedero:
Se asume una altura de
salto del bebedero de h2=3D60mm=3DH.
Diámetro
base del bebedero:
Dimensiones
de bebedero:
Luego se procedió con=
la
preparación del molde base en el cual se realizaron las inclinaciones estas=
se
realizaron aproximadamente a 3ş de inclinación, además se colocó cera y se
aplicó talco para evitar que la arena preparada se pegue en el molde. Despu=
és
se procedió a preparar la arena para moldear la cual paso por una zaranda p=
ara
quitar todos los elementos grandes y dejarle totalmente fina, y así mezclar=
con
aglutinante en este caso silicato de calcio, hasta obtener una masa húmeda =
de
arena. Luego de preparar la masa de arena se procedió a moldear el cabezote=
por
lo cual se fue rellenando las cajas del molde de una en una y se aplicó CO<=
sub>2
para endurecer el molde de arena y evitar quebraduras. Una vez realiz=
ado
los moldes se procede a quitar la humedad mediante un soplete
Una vez secados los
moldes se procedió a calentar el hormo y a aplicar el aluminio tanto de cab=
le
de tendido eléctrico como material reciclado de cabezotes. Así mismo se emp=
ezó
aplicar estańo para que el aluminio tenga mayor fluidez al momento de vacia=
rlo,
también se agregó como fundente sodio para eliminar los gases que tiene el
aluminio. Al constatar que la fundición alcanzo los 1000şC se procede a ver=
ter
en los moldes ya preparados y se espera hasta que se enfríen a temperatura
ambiente. Una vez enfriados los moldes fundidos se procede a separar los mo=
ldes
y se obtiene una pieza fundida con excelentes acabados. Después de haber
separado el molde de arena se procedió a quitar el material excedente del
cabezote mediante una fresadora universal, en esta fresadora se aplano la
superficie en la cual se procederá a mecanizar mediante lectura de códigos<=
w:Sdt
Citation=3D"t" ID=3D"1329394733"> (Freire Bravo, 2021)=
.
Al haber acabado de
mecanizar se obtiene una superficie plana en la cual se referenciará el pun=
to
de partida para el mecanizado CNC. Así mismo se procedió a colocar el cabez=
ote
en una fresadora CNC de 3 ejes y se procedió a la lectura de los códigos, c=
on
las herramientas preseleccionadas para el trabajo de mecanizado
Resultados.
Al haber concluido todos los procesos de obtención=
del
cabezote se procedió a la comparación física y química de los cabezotes de
referencia y prototipo, en el cual se obtuvo los siguientes resultados. Con
respecto a la forma del cabezote se tiene un cabezote idéntico en forma y
tamańo como se puede ver en la Figura 6, a continuación
Figura 6. Comparación de cabezote de referencia con el pro=
totipo.
Fuente: Elaboración propia.
Así mismo se realizaron las pruebas de espectromet=
ría
al cabezote prototipo como se muestra en el Gráfico 2, donde se obtuvo un
aproximado de la aleación de referencia del cabezote de referencia como se =
ve
en el Gráfico 3, en la cual debido a la oxidación y evaporación de los
elementos químicos de estos aleantes, estos per=
dieron
un porcentaje en la fundición, sin embargo, están dentro del rango permitid=
o en
cuanto a composición química de cabezotes
Gráfico 2. Resultados de espectrometría de cabezote de
referencia.
Fuente: Elaboración propia.
Gráfico 3. Resultados de espectrometría de cabezote prototi=
po.
Fuente: Elaboración propia.
Al momento de la verificación insitu
del cabezote prototipo en el motor de combustión interna de dos tiempos de
100cc de una motocicleta Suzuki Ax-100, donde se procedió a encender el mot=
or y
se mantuvo a ralentí durante 20 minutos y luego se aceleró a fondo durante 5
minutos y se apagó el motor, se procedió a desmontar el cabezote como se ve=
en
la Figura 7 y se constató que el cabezote soporto las condiciones de
funcionamiento siendo estas la temperatura interna de la cámara de combusti=
ón
al momento de la ignición, así mismo soporto las cargas de compresión como =
se
puede ver en la Figura 8, a continuación
Figura 7. Desmontaje de cabezote puesto a prueba.
Fuente: Elaboración propia.
Figura 8. Verificación de anomalías presentadas.
Fuente: Elaboración propia.
Conclusiones.
ˇ
Gran parte de los cabezotes para motores de dos
tiempos enfriados por aire mono cilindro son de aluminio silicio en proporcion=
es 70
20 respectivamente y pertenecen a la familia de la serie 392 y una dureza=
que
bordea los 108 HB.
ˇ
El prototipo de cabezote
posee 18,32% de Silicio y 77,72% de Aluminio, así como también una dureza
promedio de 110HB, envejecido naturalmente, considerándose un prototipo
funcional y apto para su funcionamiento en campo, ya que cuenta además con =
las
medidas y tolerancias ideales.
ˇ
Los ensayos insitu del prototipo de cabezote en un motor de prueb=
as son
positivos ya que soporto todas las cargas térmicas y mecánicas del motor en
plena carga.
ˇ
La técnica de fundición =
en
verde es un método muy adecuado para obtener partes y piezas automotrices c=
on
geometrías complejas ya que la tecina de fundición tradicional es muy limit=
ada.
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aplicando ingeniería inversa y el método CAD/CAM. Escuela Superior Politécn=
ica
De Chimborazo ESPOCH. 2021. PARA
CITAR EL ARTÍCULO INDEXADO. Bravo Morocho,=
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D., Abarca Pérez, E. P., López Ortíz, S. A., &a=
mp;
Freire Bravo, J. J. (2021). Manufactura de un prototipo cabezote de motor de
dos tiempos mono cilíndrico 100 cc aplicando
ingeniería inversa y el método CAD/CAM. ConcienciaDigi=
tal,
4(3.1), 190-206. https://doi=
.org/10.33262/concienciadigital.v4i3.1.1823 El artículo que se publica es de
exclusiva responsabilidad de los autores y no necesariamente reflejan el
pensamiento de la Revista Ciencia
Digital. El artículo qu=
eda
en propiedad de la revista y, por tanto, su publicación parcial y/o total en
otro medio tiene que ser autorizado por el director de la Revista Ciencia Digital.
[1] Escuela Superior Politécnica=
de
Chimborazo, Facultad de Mecánica, Riobamba, Ecuador, email
victor.bravo@espoch.edu.ec, https://orcid.=
org/0000-0001-5629-259X
[2] Escuela Superior Politécnica=
de
Chimborazo, Facultad de Mecánica, Riobamba, Ecuador, email
edison.abarca@espoch.edu.ec, <=
span
style=3D'text-decoration:none;text-underline:none'>https://orcid.org/0000-0=
001-7041-4805X
[3] Escuela Superior Politécnica=
de
Chimborazo, Facultad de Mecánica, Riobamba, Ecuador, email sa_lopez
@espoch.edu.ec, https://orcid.org/0000-0002-6314-6299X
[4] Escuela Superior Politécnica=
de
Chimborazo, Facultad de Mecánica, Riobamba, Ecuador, email jhon.freire@espo=
ch.edu.ec, https://orcid.org/0000-0002=
-1299-6285X
www.concienciadigital.org
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Vol. 4, N°3.1, p. 190-206, agosto, 20