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Disciplina: Processos de Fabricação Parte 2: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Dr. Eng. Metalúrgica
Aula 10: Processos de Fundição em Moldes Metálicos por Gravidade (Coquilhas) 01: Introdução -
Características do processo Etapas envolvidas. Fatores econômicos e tecnológicos Ligas emprwegadas
02: Coquilhas e Máquinas Coquilhadeiras - Coquilhas Manuais - Coquilhas movimentadas mecanicamente - Máquinas coquilhadeiras – simples, de grande porte e com sistema de basculamento.
03: Projeto de Coquilhas -
Requisitos principais. Fatores a serem considerados Materiais para os moldes. Aspectos construtivos dos moldes. Revestimento dos moldes. Temperaturas das coquilhas
Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição
Aula 10: Fundição em Coquilhas
Fundição em Moldes Metálicos “Permanentes” por Gravidade. • Processo que utiliza o vazamento do metal líquido por gravidade em molde metálico de duas ou mais partes
• Usado repetidamente para a produção de muitas peças. • Os moldes utilizados são denominados “Coquilhas” • As “Coquilhas” podem ser movimentadas manualmente (quando de pequeno porte) ou mecanicamente usando-se Máquinas Coquilhadeiras.
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ETAPAS ENVOLVIDAS NO PROCESSO: 1. O molde é pintado com pincel ou spray nas superfícies que entrarão em contato com o metal líquido (aquecidas a temperaturas na faixa de 120-2600C). 2. Machos, se usados, são inseridos, e o molde é fechado manual ou mecanicamente. 3. Vazamento da liga e enchimento do molde. 4. Após solidificação da peça: abertura do molde e extração dos machos 5. Remoção dos canais e massalotes e operações de acabamento das peças.
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Características das peças obtidas: – Melhor Acabamento Superficial. – Maior Precisão Dimensional. – Estrutura com grão mais finos em comparação com as peças fundidas em areia. – Propriedades Mecânicas Superiores.
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Molde = Coquilha : pode produzir de 10.000 até 120.000 peças Fatores que influenciam na vida útil de uma coquilha:
– liga utilizada – tamanho e complexidade da peça – material usado na sua fabricação – revestimento aplicado
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Fatores Econômicos • Processo que envolve um alto custo inicial.
⇓ Máquina Coquilhadeira + Moldes • No caso da necessidade de utilização de Machos: • Desejável e mais econômico o uso de machos de aço para formar as cavidades das peças. • Quando a peça possui detalhes e reentrâncias que não permitem a extração dos machos metálicos, se faz necessário o uso de machos de areia.
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Molde Semi-Permanente
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Fatores Econômicos Em que situações se justifica a utilização do processo? • Quantidade de peças a produzir é alta (entre 400 a 5000 unidades) • Altas produções. • Mão de obra menos especializada. • Redução no peso da peça. • Redução na usinagem • Melhor acabamento.
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Fatores Tecnológicos: • Normalmente são produzidas peças entre 10 e 50Kg. • Peças grandes e complexas dificultam o manejo do molde e necessitam grande número de machos.
⇓ Opção pela utilização de Moldes de Areia. Peso Máximo por Liga
Ligas de Alumínio = 14Kg Ligas de Cobre = 10 Kg Ligas de Ferro = 50 Kg
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• Ligas Utilizadas: Ligas de Alumínio • Formam óxidos que promovem enchimento lento. • Possuem grande contração
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Necessidade de Massalotes
• As peças podem se deformar na extração devido a alta temperatura. • Temperatura de Vazamento = 680-780 0C
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• Ligas Utilizadas: Ligas de Magnésio • São frágeis
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Exigem cuidados na extração
• São suscetíveis à trincas. • Extremamente oxidáveis. • Temperatura de Vazamento = 710-790 0C
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• Ligas Utilizadas: Ligas de Cobre • Grandes contrações ⇒
Ejeção deve ser rápida
• Solidificam a temperaturas elevadas. • Temperatura de Vazamento = 980 – 1250 0C Ligas de Ferro • Produção de peças pequenas e simples. • Temperatura de Vazamento = 1290 - 1400 0C
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Moldes ⇒ Coquilhas
Coquilha Manual confeccionado com blocos simples para peças finas
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Moldes ⇒ Coquilhas
Coquilha Manual deslizante sobre placa base para peças mais espessas
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Maquinas Coquilhadeiras
Coquilhadeira Automática com acionamento hidraúlico
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Maquina Coquilhadeira
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Maquina Coquilhadeira de Grande Porte
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Maquina Coquilhadeira com Sistema de Basculamento
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Regras Gerais de Projeto das Peças: • Desenho da peça não deve ser complexo. • Seções devem ser uniformes. • Evitar cantos vivos. • Evitar machos (metálicos ou de areia). • Espessura mínima em torno de 3mm. • Usar nervuras para evitar paredes pesadas.
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Projeto dos Moldes: Requisito Principal: o molde deve extrair calor do metal líquido a um determinada velocidade.
Princípios Básicos Aplicados:
• Necessidade de resfriamento com água • Controle da direção do fluxo de calor ⇒
uso de materiais e recobrimentos com diferentes capacidades de extração do calor.
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Requisitos Principais dos Moldes: • Devem resistir aos esforços de manuseio e apresentar a maior vida útil possível
⇓ Utilização de materiais resistentes e cuidados na fabricação. • Devem extrair calor do metal líquido a uma determinada velocidade
⇓
Necessidade de sistemas de resfriamento.
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Projeto do Molde Fatores a serem considerados: – Vida útil relativamente longa
– Precisão dimensional da cavidade – Necessidade de altas velocidades de produção
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Aspectos do projetos dos moldes relacionados com suas funções metalúrgicas e de engenharia - Sistema de canais de enchimento - Sistema de alimentação (massalotes) - Detalhamento dos aspectos operacionais
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• Fatores importantes no projeto de moldes para processos intermitentes: – Temperaturas máxima e mínima da face do molde durante o ciclo – Magnitude dos gradientes de temperatura através das paredes dos moldes – Freqüência de repetição do ciclo de produção
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• Consequências do aquecimento e das variações de temperaturas: - Diferentes expansões em função da formação de gradientes de temperaturas ⇓ Empenamentos ou fissuras nas faces devido Fadiga Térmica - Variações microestruturais em função de aquecimentos prolongados ou reações químicas
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• Objetivos do controle de temperatura do molde: – Garantir uma utilização segura ⇒ retirada da umidade – Obter fundidos com superfícies lisas ⇒ temperaturas ótimas 200-3500C – Promover direção e velocidades de solidificação ótimas – Obter uma vida útil mais longa
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Materiais para Moldes: Fatores determinantes da escolha do material: • Tipo de liga a ser vazada. • Quantidade de peças a serem produzidas. • Condições operacionais.
Ferro Fundido Materiais Utilizados
Aço H13 Temperado Cobre - Cromo
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Recomendação de Materiais para Coquilhas segundo a AFS
Número de Vazamentos
Tamanho da Peça
1000
10000
100000
Pequena Menor que 25mm
FoFoCinzento
FoFoCinzento H11
FoFoCinzento c/ insertos de H14
Médias e Grandes até 900mm
FoFoCinzento
FoFoCinzento
FoFoCinzento H11, H13, H14
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Propriedades Importantes em Materiais para Coquilhas: • Facilidade de Usinagem. • Estabilidade Dimensional. • Boa Difusividade Térmica. • Resistência a trincas e fissuras por Fadiga Térmica
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Aspectos Construtivos dos Moldes (Coquilhas) • Espessura de Parede
40 a 60 mm (em média)
• Demora para atingir temperatura de trabalho
Paredes muito Espessas
• Aumento Significativo no peso.
Paredes muito ⇒ Finas
Menores que 15 mm
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Apenas peças pequenas e simples
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Aspectos Construtivos dos Moldes (Coquilhas)
• Furos e Rasgos para Saída de Ar
• Na linha de divisão do molde com 0,13 a 0,25 mm de profundidade e largura variável. • Feitos após testes.
• Tolerâncias
Para peças de Alumínio que requerem alta precisão
Moldes de Aço de Baixa Liga ou Aço para Ferramentas
⇓ Tolerâncias de 0,38 até 0,13 mm
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Aspectos Construtivos dos Moldes (Coquilhas) • Na cavidade total ou parcial do molde.
• Insertos • Material idêntico ou diferente. • Finalidades dos Insertos: • Aumentar a vida útil dos moldes. • Simplificar a usinagem. • Manuseio ou troca de partes e consertos • Saídas de ar. • Resfriadores ou aquecimento em certas áreas da cavidade do molde.
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Aspectos Construtivos dos Moldes (Coquilhas)
• Sistemas que evitem turbulência.
• Sistemas de Canais • Sistemas de alimentação e ataque que produza solidificação direcional.
• Possibilidade da utilização de Filtros.
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Aspectos Construtivos dos Moldes (Coquilhas) • Externo = 10 - 30 • Interno = 20 - 50
• Ângulos de Saída
• Machos = 20 - 50
• Parede de
Peça • Tolerância
para Usinagem
• Espessura de 3mm ⇒ usar distância máxima de até 75 mm. • Espessura de 5mm ⇒ usar distância máxima entre 75 e 150 mm. • Até 250 mm de comprimento = 0,8 mm • Acima de 250 mm = 1,2 mm
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Aspectos Construtivos dos Moldes (Coquilhas) • Comprimento de macho sujeito por um extremo não deve exceder φ do macho x 10. • Diâmetro mínimo para machos = 6mm. • Machos
• Tipos: metálicos simples fixos – metálicos deslizantes montáveis – de areia. • Movimentação: manual ou através de cilindros pneumáticos. • Devem ser extraídos rapidamente para evitar “agarramento”.
• Mais econômico a utilização de machos metálicos (H14 ou aço ferramenta equivalente ⇒ tolerância mínima e vida útil máxima.
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Aspectos Construtivos dos Moldes (Coquilhas) Recomendação de Materiais para Machos Grandes segundo a AFS
Número de Vazamentos 1000 F0F0 Cinzento Areia, gesso
10000
100000
F0F0 Cinzento, H11 Areia, gesso
F0F0 Cinzento, F0F0 Cinzento c/ insertos de H11 , H11
• Machos menores que φ = 77mm e L = 255mm a AFS recomenda os seguintes materiais, emn ordem de preferência: Areia – H11(Rc entre 42 e 45) – Aço Carbono.
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Ferramental para Fundição por Gravidade
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Coquilha Basculante – Sistema Tilt
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Peça fundida em Coquilha “Carter”
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Revestimentos dos Moldes (Coquilhas) Composição Química: • Silicato de Sódio: como ligante. • Água: como solvente. • Grafite coloidal, vermiculita, óxido de alumínio, argila e outros ingredientes.
Aplicação: pistola na cavidade da peça e com pincel (base isolante para massalotes). Obs.: Quando a camada é espessa ⇒ taxa de resfriamento lenta (ação isolante).
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Revestimentos dos Moldes (Coquilhas) Sequência Operacional: • Limpeza da cavidade com jato de areia ⇒ melhor aderência da tinta. • Aquecimento do molde a ≈ 1500C • Aplicação de quantas camadas forem necessárias (em função do efeito de isolamento desejado). Obs.1: Uma aplicação bem feita pode ser usada continuamente por 24h dependendo do desenho da peça. Obs.2: Recomenda-se a remoção completa e a repintura do molde em vez da realização de reparos.
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Principais Funções das Tintas para Coquilhas • Controlar o gradiente de temperatura ⇒ solidificação direcional ótima e peças isentas de rechupes. • Controlar o fluxo de metal para assegurar que o metal atinja todas as partes da coquilha com a temperatura necessária a não ocorrência de “juntas frias”. • Facilitar a extração da peça. • Garantir um bom acabamento na peça. • Garantir uma maior vida útil do molde (evita soldagem do metal no molde) • Reduzir o choque térmico.
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Meios para alterar o Resfriamento das Peças • Situação Ideal ⇒ garantir a solidificação direcional. • Quando isto não é possível: • Usar resfriadores de Cobre ou Aço • Circulação de água. • Uso de aquecimento localizado. • Uso de tintas isolantes.
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Temperatura da Coquilha • Em fundição de Ligas de Alumínio ⇒ 300-3500C. • Consequências de Temperaturas muito Altas: • Maior formação de rebarbas. • Menor produção. • Redução nas propriedades mecânicas das peças. • Maior tendência a rechupes. • Menor vida útil do molde. • Consequências de Temperaturas muito Baixas: • Geração de solda fria nas peças. • Redução na capacidade de alimentação
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Variáveis que afetam a Temperatura da Coquilha • Quantidade de metal vazado. • Formato da peça. • Espessura de parede da coquilha. • Frequência dos vazamentos.
• Tipo e espessura dos revestimentos (tintas).
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Fatores que afetam a Temperatura de Vazamento • Tamanho e forma da peça. • Revestimento do molde. • Sistema de resfriamento.
• Sistema de canais.
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