UN ESTUDIO DE DISEÑO EN FUNDICIÓN DE ALUMINIO

El Pedal de Freno para el Chevrolet Corbeta

Esquema de estudio
• Introducción
• Elegir un método de moldeo
• Seleccionar una Aleación de Aluminio
• Desarrollar la solidez de la fundición
• Controlar el Flujo de Metal
• Asegurar Calidad
• Resumen
Inicio el Estudio de Diseño

Acknowledgement --
El metalcasting estudios de diseño son un esfuerzo de junta del
Americano Foundrymen Sociedad y los Fundadores de Acero' Sociedad de América.
Financiación de proyecto estuvo proporcionada por el Consorcio de Fundición de Metal americano
Proyecto, el cual está patrocinado por la Agencia de Logística del Defensa, Attn: DLSC-T, Ft. Belvoir, VA
22060-6221
 Un Ejemplo en Fundición de Aluminio
Pedales de freno para el Coche deportivo de la Corbeta

• Aplicación El Chevrolet Corvette es un auto deportivo de clase

mundial con un desempeño en carretera excepcional y un estilo
único. Al diseñar el Corvette, los ingenieros de General Motors
tuvieron el mandato de desarrollar un diseño de vehículo que
comunicara un desempeño y estilo inigualables, mientras que reducía
el peso para la eficiencia del combustible y la aceleración.

• El diseño Interior es el pedal del freno. El pedal de freno se diseñó

originalmente como un conjunto de acero soldado que era pesado y
requería tratamientos de acabado para su apariencia.
• Descripción de componente El pedal de freno en la Corvette está
diseñado como una barra de compensación de aproximadamente 15
pulgadas de largo con una almohadilla para el pie integral (con cuatro
ranuras en la cara) en un extremo de la barra del pedal. El extremo
opuesto de la barra tiene un cilindro de pivote perpendicular para el
montaje y la rotación. En la parte inferior de la barra hay un bolsillo
en el que se asienta la varilla del actuador del freno con un pasador.
• Funcionalmente, el pedal del freno debe ser un componente de alta
resistencia (35 ksi de resistencia a la tracción y 25 ksi de límite
elástico) con alta ductilidad (7%). La apariencia de la almohadilla
para los pies y la sección visible de la barra del pedal deben
integrarse con el diseño general del interior.
 ¿Cómo Puede una Fundición de Aluminio ahorrar Peso?

Los Retos: Los desafíos: los ingenieros de GM tenían la misión de

reducir el peso total del nuevo Corvette. El ahorro de peso se traduce
en un mejor rendimiento y una mejor economía de combustible.

• Esto requirió una revisión exhaustiva de cada

componente del automóvil, buscando recortar, no solo
onzas, sino libras en cada componente.
• La reducción de peso tenía que hacerse sin
penalización de costos, o incluso mejor, un beneficio
de costo.
• El diseño anterior del pedal de freno utilizaba un
conjunto de acero soldado con un peso total de 6
libras.

Beneficios de Utilizar una Fundición de Aluminio El aluminio es el reemplazo obvio de material liviano para
el acero. Los beneficios específicos al usar una fundición de aluminio fueron:
• Reducción del peso de 6 libras a 1,7 libras.
• Una apariencia de alta tecnología para el pedal de freno con la eliminación de la bota de
goma en la sección de la almohadilla del pie.
• Reducción de los requisitos de mecanizado, en comparación con el original ensamblaje de
acero.
• Eliminación de las operaciones de fijación, soldadura y acabado requeridas para el
ensamblaje original de acero soldado.
 Los problemas de Diseño de la Fundición

La Aproximación de Diseño de la Fundición Los ingenieros

de diseño de fundición de Eck Industries de Manitowoc, WI se
enfrentaron al desafío de producir el pedal de freno como una Rendimiento Castabilidad
pieza de fundición de aluminio, cumpliendo con los estrictos
objetivos de calidad, costo y entrega de GM. Los ingenieros de
fundición de metales tenían tres imperativos de diseño.

• Diseño para desempeño

• Diseño para fabricabilidad/moldeabilidad
• Diseño para costo

Problemas críticos de diseño Los requisitos de desempeño,

fabricabilidad/moldeabilidad y costo están estrechamente Costo
interconectados. Cinco cuestiones de diseño desempeñaron
un papel importante en el cumplimiento de los tres imperativos
del diseño: seleccione un método de fundición / moldeo para el
acabado de la superficie, tolerancias dimensionales,
productividad y vida útil de la herramienta. Elija una aleación
de aluminio con el mejor equilibrio de resistencia, ductilidad y
capacidad de fundición. El diseño del componente para
eliminar los puntos calientes y las concentraciones de tensión
en la fundición.

● Diseñar el flujo de metal en la fundición para promover

la solidez y el alto rendimiento de producción.
● Desarrollar métodos de aseguramiento de la calidad
para verificar la solidez
Métodos de fundición/moldeo

La selección de un método de fundición / moldeo es una decisión de producción crítica, porque los
diferentes métodos de moldeo tienen compensaciones entre el costo inicial, la vida útil de la
herramienta, el acabado de la superficie, las tolerancias dimensionales y el tiempo del ciclo de
producción. El pedal de freno del Corvette tenía dos factores de producción importantes:

● Tasa moderada (35.000/año), producción a largo plazo (10 años).

● Requisitos estrictos de acabado superficial y dimensional.

Se consideraron tres opciones de fundición/moldeado

Escoger un Método de Fundición

 La siguiente tabla describe los beneficios relativos y
características de los tres enfoques de fundición. Escoger
un método de fundición / moldeo que mejor se adapte a los requisitos.

Arena verde La gravedad Abajo - Presión

Característico Molde Alimenta Molde permanente
Molde permanente
Coste/de Molde del patrón Abajo Moderado Moderado

Tolerancia dimensional Justo Moderado Moderado

Llegada de superficie Justo Bueno Mejor

Durabilidad/de Molde del patrón Bueno Bueno Bueno

Índice de producción Moderado Alto Alto

Lanzando solvencia y Propiedades

Mecánicas Moderado Bueno Mejor
 Molde de arena verde
Se forma un molde de arena verde empacando una
mezcla de arena, arcilla y agua alrededor de un patrón
para formar una cavidad de molde. El metal fundido
se vierte en el molde de arena a través del bebedero.

El molde de arena verde no es la mejor opción de

método de moldeo para el pedal del freno
• El molde de arena no puede proporcionar el
acabado dimensional y superficial necesario. Se
requieren operaciones de aserrado y esmerilado para
eliminar el aparejo que introducirá variaciones en la
apariencia del acabado.
• La menor conductividad térmica de la arena el
moho ralentiza la solidificación en la fundición,
produciendo un tamaño de grano mayor y menor
fuerza.
• Los aparejos adicionales (elevadores)
necesarios para la arena requerirán metal adicional y
reducirá el rendimiento del metal.

Vuelve a la página del molde y elige

un proceso de moldeo alternativo.
Alimentación por gravedad molde permanente
Un molde permanente consta de dos mitades de acero /
hierro en las que la cavidad del molde ha sido mecanizada. El
metal fundido es vertido en la cavidad del molde a través de
la puerta de entrada.

El molde permanente puede proporcionar el acabado

superficial y tolerancias dimensionales necesarias para el
pedal del freno.
• La durabilidad del molde de acero asegurará que el
acabado de la superficie y las tolerancias dimensionales se
mantengan a lo largo de la producción de varios años.
• La alimentación por gravedad del metal requiere
elevadores para alimentar metal fundido en las secciones
gruesas de la fundición. Esos elevadores requerirán corte y
rectificado con la mayor variabilidad en apariencia terminada.
• La alimentación por gravedad no proporciona un llenado rápido del molde y dificulta obtener un
acabado superficial liso y solidez del molde.

Vuelve a la página del molde y elige

un proceso de moldeo alternativo.
 Molde permanente de baja presión
Un permanente de baja presión el molde usa 3-15 psi de gas presión para empujar el fundido metal en la
cavidad del molde.

El molde permanente de baja presión (LP) es la mejor

elección de método de moldeo para el pedal de freno
• El molde permanente LP puede proporcionar el
acabado superficial y tolerancias dimensionales necesario
para el pedal del freno.
• Los tiempos de ciclo rápidos en la fundición de molde
permanente de acero en permanentes pueden soportar la
tasa de producción necesaria para el pedal del freno.
• La durabilidad del molde de acero asegurará que el
acabado de la superficie y las tolerancias dimensionales se
mantengan a lo largo de la producción de varios años.
• El llenado a baja presión del molde permanente dará
un llenado más rápido y uniforme del molde y
proporcionará un buen acabado superficial y solidez de
fundición.
• Los moldes LP utilizan sistemas de compuerta más
simples y no necesitan elevadores para alimentar la
solidificación contracción. Esto reduce los costos de metal
y elimina una operación de recorte/pulido.

Pase al siguiente problema de diseño:selección de aleación de aluminio

 LOS REQUISITOS DE ALEACIÓN
El aluminio es la aleación elegida para ahorrar peso, pero los requisitos de
rendimiento y los problemas de fabricabilidad impulsarán la elección de una aleación
de aluminio específica.
✓ Para el rendimiento mecánico, la aleación de aluminio debe ser fuerte y
resistente, porque la fractura frágil en el pedal del freno es inaceptable en
una parte crítica de la fractura.
✓ Los ingenieros de GM establecen especificaciones mecánicas de 35 ksi
resistencia máxima a la tracción, límite elástico a la tracción de 25 ksi y 7%
de alargamiento.
✓ El pedal de freno debe mantener su apariencia superficial en una amplia
variedad de entornos. La corrosión del aluminio debe minimizarse.
Desde la perspectiva de la fundición, la geometría larga y estrecha del pedal del
freno requiere una aleación de aluminio que fluirá y llenará el molde fácilmente, pero
no se solidificará demasiado rápido. La solidificación rápida puede producir grietas
(desgarro en caliente) en la fundición.
¿Qué aleación de aluminio tiene la mejor combinación de propiedades?
Se pueden considerar tres tipos de aleaciones de aluminio para esta aplicación:

• Una aleación de aluminio 206 con tratamiento térmico T7

• Una aleación de aluminio B356 con un requisito de tratamiento térmico T6
• Una aleación de aluminio 535 sin necesidad de tratamiento térmico.
 ¿Qué aleación de aluminio elegirías para el pedal de freno?
Basado en fuerza, ductilidad, resistencia a la corrosión yrequisitos de moldeabilidad, como se muestra a
continuación
Aleación Requisito 206 T7 B356 T6 535 F
Rendimiento
Máxima resistencia a la tracción (ksi) 35 63 38 40
Resistencia a la tracción (ksi) 25 60 30 18
Ductilidad (% Alargamiento) 7% 12% 7% 13%
Resistencia a la corrosión
2 4 2 1
(1=Excelente, 5= Pobre)
Castabilidad
Fluidez (1=Excelente, 5 = Pobre) 2 2 1 5
Resistencia de Lágrima caliente
2 3 1 4
(1=Excelente, 5= Pobre)
 Aluminio 206 T7
La aleación de aluminio 206 T7

• La aleación de aluminio 206 con tratamiento térmico T7 es

una aleación de alta resistencia y alta ductilidad que puede
cumplir fácilmente los requisitos mecánicos para el pedal del
freno.
• El contenido de cobre en la aleación 206 es alto suficiente
para causar una posible corrosión y problemas de picaduras
que requeriría un revestimiento protector adicional en el pedal.
• La aleación tiene suficiente fluidez para llenar la geometría
larga y delgada del molde. Pero es susceptible al "desgarro en
caliente" que reducira el rendimiento de la producción. Una
mayor posibilidad de "desgarro en caliente" requerirá una
inspeccion 100% no destrcutiva de las fundiciones de los
pedales de freno
• En general, el 206 T la aleación de aluminio 206 T7 supera
los requisitos mecánicos, pero se queda corto sobre la
resistencia a la corrosión y la moldeabilidad.
Vuelva a la página de la aleación y seleccione una aleación
de aluminio alternativa
Aluminio B356 T6
La aleación de aluminio B356 T6 modificada

• La aleación de aluminio 356 tiene una resistencia moderada y una

buena ductilidad que puede cumplir con los requisitos mecánicos del
pedal del freno.
• La aleación tiene significativamente mejor resistencia a la corrosión
que la aleación 206, debido a su menor contenido de cobre.
• La aleación 356 tiene buena fluidez y resistencia el "desgarro en
caliente". Esto asegurará un alto rendimiento de producción y reducirá
la necesidad de una inspección exhaustiva.
La aleación B356 T6 es la mejor opción.

Vaya a la sección "Diseño para Castabilidad”

Aluminio 535 F
La aleación de aluminio 535 F

• La aleación de aluminio 535F tiene una excelente resistencia

y muy alta ductilidad, pero su límite elástico es menor que la
especificación.
• La aleación 535F tiene una excepcional resistencia a la
corrosión, porque no tiene un contenido significativo de cobre.
• Pero la aleación tiene baja fluidez y es susceptible al
desgarro en caliente. Por esa razón no es una buena opción
para el pedal de freno con su sección transversal estrecha y
longitud extendida.

Vuelva a la página de la aleación y seleccione un

aleación de aluminio alternativa
Diseño para la solidez de la fundición
Eliminación de puntos calientes y concentraciones de tensión
Dos principios de diseño importantes en fundición son:
✓ Redondear las esquinas generosamente para reducir
concentraciones de tensión.
✓ Evitar las secciones gruesas aisladas donde podrían
desarrollarse "puntos calientes".
Los "puntos calientes" en la fundición son regiones que se
aíslan térmicamente y son los últimos en enfriarse, formando
contracción porosidad o cavidades en la fundición.
✓ Reducir el tamaño de las secciones gruesas aisladas o
proporcionar transiciones graduales entre secciones de
diferente grosor.
El ingeniero de fundición siempre revisará el diseño del
componente buscando aquellas características que tienen:
✓ Esquinas afiladas y filetes
✓ Secciones gruesas aisladas.
 Una revisión de la articulación de la almohadilla
Una revisión del diseño original para el pedal de freno mostró un
potencial problema en la región donde se une la almohadilla del pie
con el brazo del pedal de freno. Eso originalmente era una transición
directa a la plataforma del pie con esquinas afiladas.

Elija un diseño alternativo (Opción A u Opción B) que reducirá las

concentraciones de tensión y la posibilidad de “puntos calientes”
aislados en la fundición.
 Opción A: esquinas redondeadas en 2 caras

• En la Opción A la articulación entre la barra de pedal y la

almohadilla del pie se rediseño con bordes redondeados más
grandes en la parte delantera y trasera. Esto reducirá
significativamente las concentraciones de esfuerzo durante el
enfriamiento y solidificación, así como durante en el servicio.
• Sin embargo, todavía hay una transición brusca entre la
almohadilla del pie y los lados largos de la barra de pedal. Esta
región necesita una transición más suave para reducir el
aislamiento de la "zona caliente" y evitar concentraciones de
esfuerzos bruscas en las esquinas.

Regrese a la anterior página y reconsidere su elección

 Opción B - Secciones de transición en 4
caras

• En la Opción B, la unión entre la barra de

pedal y la almohadilla para los pies fue
rediseñado con grandes bridas de transición
cónicas en los dos lados largos, así como
radios más pequeños en el frente y bordes
traseros.
• Estas funciones suavizarán la transición de la
barra de pedal a la almohadilla del pie y
evitarán el aislamiento de la "zona caliente",
además de proporcionar un flujo de metal más
suave en la almohadilla del pie.

La opción B es la elección de diseño correcta. Vaya al siguiente paso de diseño.

 Control del Flujo de Metal en Moldes Permanentes LP
Se realiza la fundición de molde permanente a baja presión en moldes de
acero, utilizando gas a baja presión para forzar el metal fundido en la cavidad.
Estas dos características del proceso impulsan dos factores de diseño:
✓ La fundición se enfría y solidifica rápidamente debido a la alta
conductividad térmica del molde de acero utilizado en la fundición de
alimentación por gravedad.
✓ La presión del gas alimenta el metal fundido al molde durante el paso
de enfriamiento / solidificación, eliminando la necesidad de las bandas
(metal depósitos) utilizados en la fundición alimentada por gravedad.
✓ La posición del puerto de alimentación de metal (la puerta de entrada)
es importante para obtener un relleno de metal rápido y uniformes en
la matriz. La puerta de entrada debe ser posicionado para alimentar
las secciones más pesadas del componente y también minimizar la
longitud del camino más largo.
✓ Se muestran dos opciones con diferentes posiciones para la puerta de
entrada.
¿Qué diseño de puerta dará una alimentación líquida más uniforme y
rápida en todas las secciones de la pieza fundida?
 Opción A para colocar la puerta interior

• La opción A coloca la alimentación en la puerta

directamente en la sección de pedal plano del
componente. Esto proporcionará una buena
alimentación de metal en la sección más pesada del
pedal.
• Pero el metal fundido tendrá que pasar por la longitud
completa del brazo para alcanzar la sección del cilindro
de pivote en el extremo opuesto.
• Esta no es la mejor ubicación para la puerta de
entrada.

Regrese a la página de selección de puertas

y seleccione un diseño alternativo.
 Opción B para colocar la puerta interior

• La opción B coloca la alimentación en la

compuerta más cerca del centro del brazo transversal
del pedal del freno.
• La alimentación central proporciona más
alimentación uniforme de metal en ambos extremos
del pedal del freno.
• Con un llenado rápido y uniforme de los dos
extremos del pedal del freno, la fundición será sólida
con menos riesgo de porosidad y "desgarro en
caliente".
• Has elegido la mejor ubicación de la puerta de
entrada.

Pase al siguiente tema de diseño

 Diseño final del molde permanente

• El diseño del molde permanente se completó con una línea de separación horizontal desplazada. Las dos
secciones del molde se fabricaron en acero para herramientas H13.
• El diseño del molde incluye un núcleo parcial asentado en los moldes superior e inferior para proporcionar un
orificio central en el cilindro de pivote. El uso del núcleo elimina el paso de mecanizado en bruto para el orificio
de pivote.
• La foto de primer plano de la derecha muestra las dos placas de acero móviles, utilizadas para producir el
bolsillo en la barra y las ranuras en el pedal del freno.
Pedal de freno de aluminio fundido

• La foto de la derecha muestra los pedales de

freno en la condición de fundición, antes de que la
puerta de entrada sea recortada.
• Después de fundir y recortar el pedal del freno
se comprueba su dimensión, tolerancias y se
prepara para dos operaciones de acabado:
✓ Tratamiento térmico a la condición T6
requerida
✓ Mecanizado: una operación de escariado para
el orificio de pivote y un taladro de desbaste para el
orificio transversal en el bolsillo de conexión.
 Asegurando la calidad

• El pedal del freno es un componente critico para la seguridad

con un alto nivel de rendimiento y calidad del material.
• El dibujo indica las secciones del freno donde las tensiones son
altas y la solidez es imperativa.
• Para asegurar la calidad, Eck Industries utiliza radiografía de
rayos X para asegurar la solidez de las piezas fundidas del
pedal de freno.
• En la primera tanda de producción, cada pedal de freno se
comprobó con radiografía de rayos X. La evaluación de rayos X
mostró que las piezas de fundicion cumplieron o superaron los
estandares de calidad de fundicon.

Con cuatro años de experiencia en la producción de pedales de

freno, la radiografía ahora se realiza sobre una base estadística,
evaluando el 10% de cada ciclo de producción
 LAS LECCIONES APRENDIDAS

Con el pedal de freno Corvette en el cuarto año de producción, se

aprendieron dos lecciones importantes en este exitoso diseño esfuerzo de
diseño y producción.
1. Una estrecha relación de trabajo entrela fundición y el cliente es esencial
para el diseño eficaz de la fundicion en cuanto a rendimiento, costo y
fabricabilidad.
2. La selección de la aleación es un tema crítico para cumplir con los
requisitos de rendimiento mecanico y requisitos de moldeabilidad.
 RESUMEN
Fundición del pedal de freno Corvette en aluminio

• El pedal de freno de aluminio fundido en el

Chevrolet Corvette proporciono los siguientes
beneficios:
✓ Ahorro de peso del 72% con respecto al original
conjunto de acero soldado
✓ Reducción de costes mediante la eliminación de fijación
de alineación, soldadura y operaciones de acabado
necesarias para el conjunto de acero soldado.
✓ Una apariencia elegante y de alta tecnología para pedal
de freno sin operaciones de acabado adicional.
 CONCLUSIONES/COMENTARIOS
a) Selección de aleación
Para la selección de aleación se debe tener en cuenta el peso del material ya que uno de los
requerimientos del pedal, también se debe tener en cuenta la soldabilidad y la maquinabilidad de la
aleación. Se selecciono la aleación A 356-T6 por su bajo costo y a sus excelentes propiedades
mecánicas y físicas y porque mantendría constante el rendimiento de la producción en lotes grandes
siendo bastante requerida en la fabricación de piezas para autos, aunque esta aleación no está libre de
presentar una disminución de sus propiedades, que es causado por la fuerte influencia de las elevadas
temperaturas que se presentan en la fundición sigue siendo una buena opción al elegir la aleación
correcta. Sabiendo que al escoger esta aleación se requiere un tratamiento térmico, el mismo será el
recocido; se realiza este con la finalidad es reducir la dureza y eliminar las tensiones internas que
puedan existir, además que aumenta la ductilidad y tenacidad del aluminio elegido.

b) Selección de proceso
En este punto debe entrar en consideración el costo y las especificaciones de la pieza, por esto se
selecciona el proceso en molde permanente de baja presión, pues con este se obtiene muy poca
turbulencia al llenar el molde debido a la presión constante, lo que produce un acabado superficial mas
fino que minimiza la porosidad y la formación de escoria, además que acompaña a la aleación
seleccionada de aluminio y cubre con la cantidad de producción requerida. La desventaja es que los
tiempos de los ciclos son más largos que los de los moldes permanentes por gravedad.

c) Diseño de la pieza
Para el diseño de la pieza se debe reducir o eliminar los puntos calientes que se presentaban a un
inicio como el principal problema. Con estos antecedentes se rediseña la pieza con bridas de transición
 que reducen los puntos calientes. Para obtener una alimentación uniforme y rápida que evita la
porosidad se ubica la compuerta en el centro brazo. Estas decisiones contribuyen a la calidad de
producción y al rendimiento de la misma que es controlada una vez que el pedal está terminado,
mediante el aseguramiento y el control de calidad, además de verificar si las tolerancias son las
adecuadas

d) Diseño de molde
El diseño del molde permanente se realizó con una línea de separación horizontal fabricadas en acero
para herramientas H13. El acero H13 es el acero para herramientas de trabajo en caliente más
representativo por sus buenas propiedades mecánicas y porque puede satisfacer las necesidades
de los requisitos de calidad del molde, se usa en moldes para extrusión y moldes de fundición a
presión que este seria el caso para el pedal, brindándonos el acabado deseado, cumpliendo con los
requerimientos.