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ENGENHARIA DE PRODUÇÃO Fabio Renato Rossi do Nascimento Processos Produtivos I: Fundição São Carlos, Dezembro de 2009 ENGENHARIA DE PRODUÇÃO Fabio Renato Rossi do Nascimento Processos Produtivos I: Fundição Trabalho acadêmico apresentado à disciplina de Processos Produtivos I. Centro Universitário Central Paulista. Unidade São Carlos São Carlos, Dezembro de 2009 SUMÁRIO LISTA DE FOTOS.......................................................................................................04 LISTA DE FIGURAS...................................................................................................04 LISTA DE TABELAS..................................................................................................04 RESUMO.......................................................................................................................05 ABSTRACT...................................................................................................................06 1. INTRODUÇÃO.........................................................................................................07 2. FUNDIÇÃO...............................................................................................................07 2.1 Vantagens da fundição...............................................................................08 2.2 Desvantagens da fundição..........................................................................09 2.3 Materiais utilizados neste processo...........................................................10 3. ETAPAS DO PROCESSO DE FUNDIÇÃO..........................................................10 3.1 Construção do molde..................................................................................11 3.2 Compactação da areia em redor do modelo.............................................11 3.3 Fabricação do macho..................................................................................11 3.4 Colocação do macho....................................................................................11 3.5 Injeção do metal fundido............................................................................11 3.6 Esfriamento e solidificação.........................................................................12 3.7 Desmoldagem...............................................................................................12 3.8 Rebarbeamento e acabamento e limpeza..................................................12 4. PRINCIPAIS PROCESSOS DE FUNDIÇÃO........................................................12 4.1 Molde em areia verde..................................................................................13 4.2 Molde em areia seca....................................................................................13 4.3 Fundição por injeção...................................................................................13 4.4 Fundição sob pressão..................................................................................13 4.5 Fundição por centrifugação........................................................................14 4.6 Fundição contínua.......................................................................................15 5. CONCLUSÃO...........................................................................................................16 REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS........................................................................17 4 LISTA DE FOTOS Foto1: Preenchendo com metal líquido a cavidade de um molde...................................08 Foto 2: Bloco forjado de um motor 6 Cilindros em “V”.................................................09 LISTA DE FIGURAS Figura 1: Micrografia de um aço com microporosidade.................................................09 Figura 2: Injetora do processo de Fundição Sob Pressão................................................14 Figura 3: Moldes de fundição por centrifugação.............................................................15 Figura 4: Matriz prismática vazada para confecção de tubos..........................................15 LISTA DE TABELAS Tabela 1: Comparação de alguns processos de fundição................................................16 5 RESUMO O processo de fabricação de peças através da fundição é muito importante por ser um dos processos mais antigos, e também porque é um dos mais versáteis, principalmente quando se considera os diferentes formatos e tamanhos das peças que pode produzir por esse processo. O processo de fabricação de peças metálicas ou não metálicas que consiste essencialmente em preencher com o material líquido a cavidade de um molde com formato e medidas correspondentes aos da peça a ser fabricada. O processo de fundição aplica-se a vários tipos de matérias tais como aços, ferros fundidos, alumínio, cobre, zinco e sua principal vantagem é obter, de maneira econômica, peças de geometria complexa. Porém existem também desvantagens. Os aços fundidos, por exemplo, podem apresentar elevadas tensões residuais, microporosidade, e variações de tamanho de grão. Tais fatores resultam em menor resistência e ductilidade, quando comparados aos aços obtidos por outros processos de fabricação. Portanto, este trabalho acadêmico visa apresentar de forma sistêmica o que é e como é processada a fundição nas indústrias que utilizam este processo em sua manufatura. Palavras-Chave: Processo, Fabricação, Peças, Fundição, Molde, Materiais, Aços. 6 ABSTRACT The process of making parts by foundry is very important because it is one of the most primitive, and because it is one of the most versatile, especially when considering the different shapes and sizes of parts that can be produced by this process. The manufacturing process of metal or non-metal which is essentially fill with liquid material to a mold cavity shaped and measures corresponding to the part being manufactured. The casting process is applicable to various types of materials such as steel, cast iron, aluminum, copper, zinc and its main advantage is to achieve a cost effective manner, parts of complex geometry. But there are also disadvantages. The steel castings, for example, may have high residual stresses, microporosity, and variations in grain size. These factors result in lower strength and ductility, when compared to steels obtained by other manufacturing processes. Therefore, this academic work is to present a systematic way what it is and how it is processed in the foundry industries that use this process in its manufacture. Key Words: Process, Manufacturing, Parts, Foundry, Molding, Materials, Steels. 7 1. INTRODUÇÃO A origem da siderurgia deu-se com a invenção das primeiras armas e implementos agrícolas. Talvez, o primeiro metal que tenham surgido, quando pedras de minério de ferro que circundavam fogueiras para aquecer as cavernas do período Neolítico, foram reduzidas pelo calor e em contato com a madeira carbonizada. Muito provavelmente o homem primitivo usou, para seus artefatos. O Processo de fundição evoluiu ao longo do tempo, sua importância é fundamental para o crescimento tecnológico desde os primórdios da humanidade. Seu aperfeiçoamento é contínuo, partindo desde pequenas peças fundidas artesanalmente às técnicas de siderurgia. Fatores como velocidade de consumo, sofisticação de maquinário com exigência de partes mais precisas, demandaram novas tecnologias para a fabricação de peças de ferro fundido. A proposta de um sistema contínuo de fundição, desenvolvido na Europa após a segunda guerra respondeu muitas dessas demandas, possibilitando essencialmente uma produção rápida e de qualidade. Neste processo, atualmente muito difundido nos paises desenvolvidos, é possível obter perfis e tubos de vários formatos, com propriedades uniformes e sem os defeitos inerentes à fundição convencional (areia). No Brasil o processo foi introduzido em 1935. Estão descritos neste trabalho acadêmico os principais tipos de fundição, o que é fundição, quais suas vantagens e desvantagens, classificações dos processos, etapas do processo e os materiais mais utilizados. 2. FUNDIÇÃO É o processo de fabricação de peças metálicas que consiste essencialmente em preencher com metal líquido a cavidade de um molde com formato e medidas correspondentes aos da peça a ser fabricada. A fundição é um processo de fabricação inicial, porque permite a obtenção de peças com formas praticamente definitivas, com mínimas limitações de tamanho, formato e complexidade, e também é o processo pelo qual se fabricam os lingotes. É a partir do lingote que se realizam os processos de conformação mecânica para a obtenção de chapas, placas e perfis. A palavra fundição é usada para o processo enquanto o produto denomina-se fundido. O processo é a manufatura de objetos metálicos (fundidos) fundindo o metal, 8 vertendo este no molde (caixa de areia), e permitindo que o metal fundido se solidifique como um fundido cuja forma é uma reprodução da cavidade do molde (caixa de areia). Este processo é realizado em fundições, que podem ser de materiais ferrosos e nãoferrosos. Sempre que se fala em fundição, as pessoas logo pensam em ferro. Mas esse processo não se restringe só ao ferro. Ele pode ser empregado com os mais variados tipos de ligas metálicas, desde que elas representam as propriedades adequadas a esse processo, como por exemplo, temperatura de fusão e fluidez. A indústria de fundição é muito difundida e encontra–se entre as maiores do mundo porque possibilita a produção peças complicadas. Exemplos: acessórios de tubulação, peças de um forno, bloco do motor de automóveis e aviões, pistões, anéis dos pistões, bases de máquina ferramenta, rodas, e eixos de manivela. Foto 1: Preenchendo com metal líquido a cavidade de um molde - Fonte: Istivan, 2002 2.1 Vantagens da fundição Sua principal vantagem é obter, de maneira econômica, peças de geometria complexa. As fundições podem ser de materiais ferrosos ou não-ferrosos. Produção de peças de paredes mais finas e tolerâncias dimensionais mais estreitas. Produz peças quase que acabadas. Utilização da mesma matriz para milhares de peças, sem variações significativas nas dimensões das peças produzidas. A foto 2 mostra um bloco de motor. Esta peça possui um formato complexo, propício para confecção através de processo de fundição. 9 Foto 2: Bloco forjado de um motor 6 Cilindros em “V” – Fonte: Leoni, 2006 2.2 Desvantagens da fundição Os aços fundidos podem apresentar elevadas tensões residuais, microporosidade (conforme figura 1), zoneamento e variações de tamanho de grão. Tais fatores resultam em menor resistência e ductilidade, quando comparados aos aços obtidos por outros processos de fabricação como conformação a quente. Os equipamentos e os acessórios são relativamente caros, de modo que o processo somente se torna econômico para grandes volumes de produção. Figura 1: Micrografia de um aço com microporosidade – Fonte: UFSC, 2007 10 2.3 Materiais utilizados neste processo O processo de fundição aplica-se a vários tipos de metais e também em certos materiais sintéticos a exemplos de plásticos e polímeros. No caso dos metais podem-se citar aços, ferros fundidos (ferro gusa), alumínio, cobre, zinco, magnésio. Também é utilizado a areia para a estampagem do modelo. 3. ETAPAS DO PROCESSO DE FUNDIÇÃO São infinitas as possibilidades de fabricação de peças por intermédio deste processo. O mais simples formato que se pode fabricar com o processo de fundição são os lingotes, estes são a base de geometria para todos os processos de conformação mecânica que vem a seguir da fundição, podem ter o formato redondo chamados comumente de tarugos que são utilizados, por exemplo, nos processos de extrusão ou usinagem, além disso, podem ter também o formato retangular chamados de placas, que são utilizadas nos processos de laminação de chapas e folhas. Um fator muito importante para a fundição é saber a temperatura de fusão do metal (esta é a temperatura que o metal passa do estado sólido para o líquido), bem como, a fluidez (capacidade que uma substância tem de escoar com maior ou menor facilidade, como exemplo, a água escoa com mais facilidade que o óleo), isso determina principalmente os equipamentos necessários para se realizar uma correta fundição. Muitos processos de fundição são utilizados atualmente para a manufatura de metais. Eles vão desde a Fundição em Areia (processo mais conhecido), passando por, Fundição em Moldes Permanentes (Coquilhas, Matrizes ou Moldes), Fundição Sob-Pressão (injeção de metais - die casting), Fundição por Centrifugação, Fundição de Precisão (Microfusão, Cera Perdida ou Investmente Casting), Fundição por Moldagem em Gesso, Fundição em Casca (Shell Molding), dentre outros Basicamente o que determina o melhor processo para desenvolvimento de uma determinada peça, além de seu custo é claro, é o peso da mesma, o metal envolvido, a liga de determinado metal, as características metalmecânicas exigidas, o acabamento desejado, as espessuras mínimas e máximas de cada parte ou parede, as tolerâncias dimensionais exigidas, os ângulos desejados, as matrizes e/ou modelos necessários, o tamanho da peça e o formato da peça. Além disso, deve-se levar em conta, a quantidade de peças que serão produzidas, ou seja, a capacidade de repetibilidade das peças e os custos operacionais envolvidos no processo escolhido. 11 3.1 Confecção do modelo Essa etapa consiste em construir um modelo com o formato aproximado da peça a ser fundida. Esse modelo vai servir para a construção do molde e suas dimensões devem prever a contração do metal quando ele se solidificar bem como um eventual sobremetal para posterior usinagem da peça. Ele é feito de madeira, alumínio, aço, resina plástica e até isopor. 3.2 Confecção do molde O molde é o dispositivo no qual o metal fundido é colocado para que se obtenha a peça desejada. Ele é feito de material refratário composto de areia eaglomerante. Esse material é moldado sobre o modelo que, após retirado, deixa uma cavidade com o formato da peça a ser fundida. 3.3 Confecção do macho Macho é um dispositivo, feito também de areia, que tem a finalidade de formar os vazios, furos e reentrâncias da peça. Eles são colocados nos moldes antes que eles sejam fechados para receber o metal líquido. 3.4 Fusão Fusão é o processo em que derrete o metal para formar a liga que se desejar produzir, no caso de ser uma fundição de ligas metálicas, ou então, o metal puro quando se deseja somente derreter o mesmo. Este metal fica dentro de um equipamento chamado de forno de fundição e, após estar pronto, o metal líquido é transferido para um cadinho ou uma panela, que transportará o metal líquido do forno até os moldes que irão receber o metal líquido. 3.5 Vazamento Quando o material fundido preenche as cavidades, é necessário que haja uma pequena sobra deste para expulsar o ar e possíveis contaminações. São executados nas 12 feituras do molde os drenos. São alguns canais de vazamento para possibilitar a drenagem do material. 3.6 Esfriamento e solidificação Esta é etapa mais crítica de todo o processo, já que um resfriamento excessivamente rápido pode provocar tensões mecânicas na peça, inclusive com aparecimento de trincas, e a formação de bolhas. Se houver um resfriamento muito lento ocorrerá à diminuição da produtividade. Estes eventos influenciam bastante o tamanho, uniformidade e composição química dos grãos formando na peça fundida, que por sua vez influenciam as suas propriedades globais. 3.7 Desmoldagem Após resfriamento e solidificação o material fundido, é executado a retirado da peça do molde. Ao fazê-lo deve-se tomar o cuidado de retirar a areia dos machos. Retirada a areia dos machos e da peça, esta pode ser reaproveitada em outros moldes de fundição indefinidamente desde que não tenha contaminada por nenhum elemento que venha a causar alguma contaminação 3.8 Rebarbeamento e acabamento e limpeza Após retirada do molde de fundição a peça possui diversas rebarbas ocasionadas pelo vazamento através dos canais de respiro alimentação e dreno, além da marca da emenda das caixas de macho que deixa às vezes algumas rebarba. Quando ocorre este defeito, é necessária uma limpeza da peça através do rebarbeamento. Este processo consiste na retirada das sobras e rebarbas por esmeris ou manualmente através de limas. 4. PROCESSOS DE FUNDIÇÃO Existem diversos processos de fundição. Estes consistem na fusão da matéria prima a ser moldada geralmente “cadinhos”. Cadinhos são fabricados em material refratário onde a matéria prima é derretida e drenada ou drenada posteriormente para as 13 formas, ou moldes de fundição. A tabela 1 mostra uma comparação dos principais processos de fundição utilizados atualmente. 4.1 Molde em areia verde Consiste na elaboração do molde com areia úmida modelada pelo formato do modelo da peça a ser fundida. É o método mais empregado na atualidade, serve para todos os metais. Porém o mais utilizado é o ferro gusa. É especialmente apropriado para peças de tamanho pequeno e médio. Não é adequada para peças grandes, de geometria complexas, nem para acabamentos finos, pois ficam as marcas de corrugamento da areia, e sua tolerância dimensional é reduzida. 4.2 Molde em areia seca Este tipo de molde se consolida em altas temperaturas (entre 200 e 300°C). Este método utilizado para aumentar a resistência mecânica e a rigidez da forma de fundição. Este processo permite a modelação de peças de grande dimensões e geometrias complexas. A precisão dimensional é boa e o acabamento superficial é bom, pois o corrugamento das peças causado pela areia é bem menor. 4.3 Fundição por injeção O molde é mecanizado. Existem menos restrições à geometria das peças, pois o molde é fabricado por modernos processos como eletroerosão, por laser, entre outros, que dão excelente acabamento, possibilitando menos usinagens nas peças. 4.4 Fundição sob pressão Consiste em forçar o metal liquido sob pressão, a penetrar na cavidade do molde, chamado matriz. Esta é metálica, portanto de natureza permanente e , assim pode ser usada inúmeras vezes. Devido à pressão e a consequente alta velocidade de enchimento da cavidade do molde, o processo possibilita a fabricação de peças de formas bastante complexas e de paredes mais finas do que os processos por gravidade, 14 permitem. A matriz é geralmente construída em duas partes, que são hermeticamente fechadas no momento do vazamento do metal líquido. Ela pode ser utilizada fria ou aquecida à temperatura do metal líquido, o que exige materiais que suportem essas temperaturas. O metal é bombeado na cavidade da matriz e a sua quantidade deve ser tal que, não só preencha inteiramente esta cavidade, como também os canais localizados em determinados pontos para evasão do ar. Esses canais servem igualmente distribuídos para garantir o preenchimento completo das cavidades da matriz. Figura 2: Injetora do processo de Fundição Sob Pressão – Fonte: Chiaverini, 2000 4.5 Fundição por centrifugação O processo consiste em vazar-se metal líquido num molde dotado de movimento de rotação, de modo que a força centrífuga origine uma pressão além da gravidade, que obriga o metal líquido ir de encontro com as paredes do molde onde aquele se solidifica. Um dos exemplos mais conhecidos de utilização do processo, corresponde a fabricação de tubos de ferro fundido para linhas do suprimento de água. A máquina empregada, consiste essencialmente de um molde metálico cilíndrico, montado em roletes, de modo que nele se possa aplicar o movimento de rotação. Esse cilindro é rodeado por uma camisa de água estacionária, montada por sua vez, em rodas, de modo a permitir que o conjunto se movimente longitudinalmente. 15 Figura 3: Moldes de fundição por centrifugação – Fonte: Chiaverini, 2000 4.6 Fundição contínua Neste processo, as peças fundidas são longas, com secções quadrada, retangular, hexagonal ou de formatos diversos. Em outras palavras, o processo funde barras de grande comprimento com as secções mencionadas, as quais serão posteriormente processadas por usinagem ou pelos métodos de conformação mecânica no estado sólido. Em princípio, o processo consiste em vazar-se o metal líquido num cadinho aquecido. O metal líquido escoa através de matrizes de grafite ou cobre, resfriados na água. Figura 4: Matriz prismática vazada para confecção de tubos – Fonte: Chiaverini, 2000 16 Tabela 1: Comparação de alguns processos de fundição – Fonte: Chiaverini, 2000 5. CONCLUSÃO A fundição é um item de grande importância no desenvolvimento da indústria moderna e na evolução da humanidade. O processo de fundição vem se modificando conforme a necessidade de consumo do planeta. Porém conclui-se que este processo se emprega nos dias atuais, porém foi inventado a milhares de anos atrás. O desafio nos anos que virão, será de redução de custo para que este processo continue sendo viável para o desenvolvimento de novas tecnologias. Sabidos que a matéria prima não é renovável. 17 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Chiaverini, V. Tecnologia Mecânica – Processos de Fabricação e Tratamento. São Paulo. Makron Books. 1986. 2º Edição. TORRE, J. Manual Prático de Fundição. São Paulo. HEMUS. 1975. SORS, Lázló; BARDOOZ, Lazio; RADNOTI, Istivan. Plásticos Moldes e Matrizes. São Paulo: Editora Hermes. 490pg. http://www.engprod.ufsc.br/processos/Conformacao/cont_html/fundicao.html Acessado em 28/11/2009 às 11:25