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Disciplina: Processos de Fabricação Parte 2: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Dr. Eng. Metalúrgica Aula 11: Processos de Fundição Sob Pressão 1. Introdução • Principio do Processo • Classificação dos Processos • Potencialidades do Processo 2. Fundição Sob Pressão em Câmara Quente • Características Gerais. • Sistemas de Injeção. • Materiais Utilizados. • Seqüência Operacional. 3. Fundição Sob Pressão em Câmara Fria • Características Gerais. • Sistemas de Injeção. • Classificação das Máquinas. • Ciclo do Processo. • Parâmetros de Injeção. • Aspectos Construtivos: Pistão e Câmara de Injeção. • Moldes (Matrizes): Aspectos Construtivos e Operacionais, materiais utilizados. Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Aula 11: Processos de Fundição Sob Pressão Fundição sob Pressão Princípio do Processo Classificação dos Processos Processo que utiliza um molde metálico estacionário (MATRIZ) no qual o metal líquido é introduzido usando altas pressões. Classificados em função do tipo de equipamento utilizado Câmara Quente Câmara Fria 1 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Aula 11: Processos de Fundição Sob Pressão Potencialidades do Processo - O processo permite obter: • Peças com seções muito finas (< 0,2mm). • Reprodução de detalhes finos. Peças Complexas • Elevada precisão dimensional Peças “NET SHAPE” • Excelente acabamento superficial • Altas Produtividades. • Adequado para automação. Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Aula 11: Processos de Fundição Sob Pressão Fundição Sob Pressão em Câmara Quente Características Gerais Bocal Pescoço de ganso • O sistema de injeção encontra-se mergulhado no metal líquido e o arranjo permite o enchimento do molde em curto tempo com baixa perda de temperatura do metal. • Utilizado para ligas com baixos pontos de fusão: Mg – Zn – Sn - Pb Cilindro hidráulico Pistão Forno Semi-molde ejetor Semi-molde fixo • Peças de até 23Kg • Ligas de Al em dispositivos sem êmbolo à base de ar comprimido. 2 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Aula 11: Processos de Fundição Sob Pressão Fundição Sob Pressão em Câmara Quente Sistemas de Injeção do Tipo Câmara Quente • à base de êmbolo. • por imersão à base de ar comprimido. • à base de ar comprimido com válvula submergida. • para ligas de Mg. Parâmetros de Processamento: • Pressão de Injeção = 50 a 130 Kg/cm2. • A quantidade de metal varia de acordo com o tamanho do colo de cisne (pescoço de ganso). • Produtividade = 50 a 500 tiros/hora. • Máquina Especiais de Alta Produção = 2000 a 5000 tiros/h. Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Aula 11: Processos de Fundição Sob Pressão Materiais Utilizados no Equipamento: • COLO DE CISNE Ferro Fundido Cinzento ou Nodular - Aço • A escolha do material depende do tipo de metal, da pressão de operação e do custo. • CAMISA e BICO Aço H13 – Aço Ligado Nitretado ou Aço Inox • Peças sujeitas ao calor, atrito e pressão mecânica. • Uma camisa pode durar até 2000h de trabalho. • PISTÃO Ferro Fundido Cinzento 3 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Aula 11: Processos de Fundição Sob Pressão Dispositivo de Injeção a Base de Ar Comprimido: • O enchimento da câmara de pressão é obtido pela descida da câmara até que o metal possa penetrar no interior da mesma através de um furo ou tubo, que fica fechado durante a injeção. Depois é fixada a tubulação de injeção contra a boca de entrada do molde e ficando fechada a boca de entrada do metal injeta-se este, por meio de pressão de ar comprimido, no molde. • O sistema não possui êmbolo. • Pressão de injeção máxima = 50Kg/cm2. • Pode ser utilizado para ligas de Al. • Empregado para peças maiores. Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Seqüência Fechamento do Molde Fixação da Tubulação de Injeção Injeção Retrocesso do Êmbolo Aula 11: Processos de Fundição Sob Pressão Operacional: Separação do Bico de Injeção Abertura do Molde Extração dos Machos Extração das Peças 4 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Aula 11: Processos de Fundição Sob Pressão Fundição Sob Pressão em Câmara Fria Características Gerais • O sistema de injeção não fica mergulhado no metal líquido. • Cada vez mais utilizado em função das exigências crescentes quanto a qualidade das peças injetadas. • Utilizado para ligas com maiores pontos de fusão: Cu – Al - Mg – Zn Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Aula 11: Processos de Fundição Sob Pressão Sistema de Alimentação da Máquina com Metal Líquido: • Manual com uma colher. • Por forno basculante e canal de alimentação. • Mediante um cadinho hermeticamente fechado e no qual atua uma pressão pneumática sobre o banho. • Por meio de uma bomba eletromagnética. • Por um braço mecânico (ou robô) com um dosador. Sistema de Injeção: • Produtividade: 2 a 5 injeções/minuto. • Acionamento do pistão por pressão de óleo ou água. • Pressão de injeção na faixa de 560 a 3000 kg//cm2. • Velocidade de injeção na faixa de 0,1 a 7,0 m/s. 5 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Aula 11: Processos de Fundição Sob Pressão Classificação das Máquinas de Acordo com os Princípios Construtivos Máquina de Câmara Fria Horizontal Deslocamento do Embolo de pressão para cima. Máquina de Câmara Fria Vertical Deslocamento do Embolo de pressão para baixo. Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Aula 11: Processos de Fundição Sob Pressão Seqüência de Trabalho em um Máquina de Câmara Fria: • Fechamento do Molde. • Introdução do metal na câmara de pressão. • Injeção do metal. • Abertura do molde. • Extração dos machos • Expulsão ou extração da peça fundida. • Retrocesso do êmbolo de pressão. 6 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Aula 11: Processos de Fundição Sob Pressão Ciclo do Processo de Fundição sob Pressão em Máquina de Câmara Fria Horizontal Preenchimento da câmara com concha manual Pistão Cavidade do molde Câmara de injeção Injeção do alumínio para a cavidade do molde. Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Extração do produto Aula 11: Processos de Fundição Sob Pressão Ciclo do Processo de Fundição sob Pressão em Máquina de Câmara Fria Vertical Pistão de injeção Ejeção do material residual ( massalote ). Injeção Tiro do produto Alumínio líquido Pinos extratores Varões extratores Preenchimento da cavidade do molde Extração do produto Contra pistão 7 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Aula 11: Processos de Fundição Sob Pressão Parâmetros de Processamento: • Temperatura da Matriz ≅ 2500C Ligas de Alumínio • Vida Útil da Matriz de 100.000 a 150.000 ciclos. Produção: Exemplos • Conjuntos de até 5,0 Kg • 30 a 60 ciclos/h em Máquina Automática • Conjuntos de até 1,2 Kg • 40 a 120 ciclos/h em Máquina Semi-automática. Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Aula 11: Processos de Fundição Sob Pressão Parâmetros de Injeção: Estágios da Injeção A injeção pode ser separada em três estágios distintos: Primeiro estágio : o pistão avança com velocidade lenta Segundo estágio: na qual metal preenche a cavidade do molde. Terceiro estágio: é a fase de compactação do metal na cavidade, chamada de Recalque. 8 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Aula 11: Processos de Fundição Sob Pressão Parâmetros de Injeção: Estágios • Primeiro estágio : o pistão avança com velocidade lenta para expulsão do ar e gases da câmara de injeção. 2a Fase 1a Fase A primeira fase termina quando todo Volume Hidráulico da câmara está ocupada pelo metal líquido e pode ser calculado para facilitar na definição dos paramentos de Injeção. Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Aula 11: Processos de Fundição Sob Pressão Segundo estágio: no qual metal preenche a cavidade do molde. É o curso restante do pistão. Preenche a cavidade do molde com maior velocidade imediatamente após o término da primeira fase de Injeção. O curso de Injeção é calculado sempre a partir da posição inicial do pistão que deve facear o orifício de alimentação da câmara . É importante que o pistão tenha sempre o mesmo comprimento pois sua variação provocará variações no comportamento do alumínio durante o preenchimento da cavidade. INJEÇÃO DE AR A segunda fase iniciará junto com o Pistão menor antes que todo o alumínio alumínio para que o ocupe o volume dentro da cavidade padronizado hidráulico da câmara do molde, Pistão maior que o padronizado Penetração antecipada o alumínio para dentro da cavidade antes do inicio da segunda fase Peças com JUNTAS FRIAS. 9 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Aula 11: Processos de Fundição Sob Pressão Segundo estágio: Influência do comprimento do pistão sobre o regime de injeção e os prováveis defeitos. Normal 2a fase 1a fase Pistão maior que o padronizado Juntas Frias Avançado Pistão menor que o padronizado Porosidades Recuado Uma vez definida a câmara de injeção para um molde, em uma determinada máquina, o diâmetro do pistão e comprimento da haste automaticamente são definidos e a partir destas definições é que são determinadas os parâmetros das máquinas. Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Aula 11: Processos de Fundição Sob Pressão Terceiro estágio: Recalque. É o responsável pela compactação final do material injetado imediatamente após a segunda fase de Injeção, compensando a contração de solidificação do alumínio, diminuindo a ocorrência de porosidades É utilizada em peças de paredes grossas e que sejam alimentadas por canais generosos para permitir a transmissão de pressão sem que solidifique antes o alumínio dentro da cavidade • Força de Injeção da Máquina. Determina: • Pressão Específica Final de Injeção • Responsável pela sanidade(estanqueidade) da peça, uma vez que durante a solidificação o metal contrai, necessitando assim de uma massa adicional que será transferida por pressão ainda no estado semi-sólido (pastoso). 10 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Aula 11: Processos de Fundição Sob Pressão Parâmetros de Injeção: É obtida através da pressão hidráulica da rede ou multiplicada da Injetora, dividida pela área do êmbolo de injeção. Força de Injeção Resultante da Força de Injeção da Máquina dividido pela Área do Pistão de injeção. Ou seja, é a força aplicada a cada cm2 de metal injetado. Pressão Específica de Injeção A pressão específica (Pe) pode ser regulada na máquina, dependendo do tipo de peça, este valor pode ser estipulado pelo projetista. Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Peças standard 200 – 400 kgf/cm2 Peças técnicas 400 – 600 kgf/cm2 Peças estanques 600 – 1000 kgf/cm2 Aula 11: Processos de Fundição Sob Pressão Parâmetros de Injeção: Força de Fechamento Os diversos tipos de máquinas injetoras que são produzidas, geralmente são identificadas pela capacidade da Força de Fechamento. Exemplo: Máquina de 630 T = a capacidade desta manter as placas fechadas e travadas até 630.000 kgf de Injeção, que é determinada pela Pressão Específica ( Pe ) multiplicada pela área projetada do molde. - 11 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Aula 11: Processos de Fundição Sob Pressão Parâmetros de Injeção: Velocidade de Injeção a) Velocidade de Primeira Fase de Injeção É a velocidade de aproximação do pistão. É controlada por uma válvula controladora de fluxo. Nesta fase de Injeção, o pistão avança lentamente não permitindo que o metal líquido sofra qualquer turbulência evitando que bolhas de gases e ar venham a ser aprisionadas e injetadas para dentro da cavidade do molde b) Velocidade de Segunda Fase de Injeção É a velocidade com que o metal líquido preenche a cavidade do molde. É função da espessura e complexidade do produto a ser injetado. Maiores velocidades de injeção para compensar a rápida troca de calor entre a superfície do molde e o metal líquido Peças com paredes finas Peças muito complexas Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Aula 11: Processos de Fundição Sob Pressão Aspectos Construtivos: Pistão e Câmara de Injeção O tamanho da Câmara e do Pistão determina o volume de metal para o tiro Cada Ferramental tem câmara e pistão próprios. Câmara: Aço H13 Aço Ligado Nitretado Materiais Pistão: Liga de Cobre c/ Berílio (5%) Aço Ligado Nitretado Sistema de Refrigeração: Lubrificação: A temperatura do pistão deve oscilar entre 50-700C . Refrigeração com água. Cuidar com a quantidade e tipo de lubrificante, para evitar contaminação do metal e redução da vida útil do pistão e da câmara. 12 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Aula 11: Processos de Fundição Sob Pressão Moldes para Fundição Sob Pressão ⇒ MATRIZES Elevado custo de Fabricação. Características Iniciais Maior vida útil possível. Necessidade de estabilidade e precisão dimensional. Aços para Trabalho a Quente Materiais Aços Cromo-Molibdênio • Alta resistência à choque térmico • Alta resistência ao desgaste e à abrasão • Boa taxa de extração de calor Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Materiais Aula 11: Processos de Fundição Sob Pressão A seleção depende do material e do número de peças a serem produzidas. Materiais mais utilizados Combinação de aços P20 com o H13 Normalmente temperados e nitretados em áreas de contato com o metal líquido e regiões de atrito. H13 0,35C – 0,30Mn – 1,0Si – 5,0Cr - 1,0V – 1,5Mo P20 0,35C – 1,7Cr - 0,4Mo 13 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Aula 11: Processos de Fundição Sob Pressão Aços para Matrizes PRODUÇÃO Liga das Peças 50.000 250.000 1.000.000 Material Zinco P20 P20 H11 / H13 Alumínio e Magnésio H11 H13 H11 H13 H11 H13 Cobre H21/ H20/ H22 Obs.: para suporte dos moldes pode-se usar os aços 1020 ou 1045. Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Aula 11: Processos de Fundição Sob Pressão Aços para Machos e Ejetores Liga das Peças MATERIAL Zinco H11/ H13/ H12 (nitretados) Alumínio e Magnésio H11/ H13/ H12 (nitretados) Cobre H21/ H20/ H22 14 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Aula 11: Processos de Fundição Sob Pressão Aspectos Construtivos/Operacionais: Matrizes • As matrizes podem ser refrigeradas com água em locais de pontos quentes, machos ou seções espessas das peças. • A temperatura de entrada da água de refrigeração não deve ser inferior a 300C. • Overflows: são construídos para saídas de ar e óxidos. São ligados às peças por uma seção bem fina (0,5-1,5mm de espessura). • Sistema de Canais TIPO PRESSURIZADO Necessidade de altas velocidades de enchimento. • Extratores: pinos ou buchas (sempre que possível localizados sobre os canais de entrada). • Agentes Separadores: aplicados a cada ciclo, sob a forma líquida ou pasta, por spray ou pincel. Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Aula 11: Processos de Fundição Sob Pressão Aspectos Construtivos/Operacionais: Matrizes Tolerâncias para peças pequenas: 0,076 a 0,127 mm. • Variações ocorrem em função: • tamanho e desenho da peça • fundibilidade da liga • Na prática normal as dimensões sofrem alterações devido o desgaste do molde e do mecanismo de fechamento 15