Fundição sob Pressão

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1 Dr. Eng. Metalúrgica Aula 14 : Processos de Fundição Sob Pressão 01: Introdução Princípio, classificação e potencialidades do processo. 02. Fundição sob pressão em cãmara quente 03. Fundição sob pressão em cãmara fria 04. Parâmetros de Processo 05. Processo de fundição sob pressão à vácuo 06. Processos a Baixa Pressão Fundição sob Pressão Princípio do Processo Processo que utiliza um molde metálico estacionário (MATRIZ) no qual o metal líquido é introduzido usando altas pressões. Classificação dos Processos Classificados em função do tipo de equipamento utilizado Câmara Quente Câmara Fria 1

2 Matriz Placa Fixa Placa Móvel Ejetores Peça Câmara de Injeção Ataque Pistão Potencialidades do Processo O processo permite obter: Peças com seções muito finas (< 0,2mm). Reprodução de detalhes finos. Peças Complexas Elevada precisão dimensional Excelente acabamento superficial Peças NET SHAPE Altas Produtividades. Adequado para automação. 2

3 Fundição Sob Pressão em Câmara Quente Características Gerais 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 Peças de até 23Kg Semi-molde ejetor Bocal Pescoço de ganso Semi-molde fixo Cilindro hidráulico Pistão Forno Ligas de Al em dispositivos sem êmbolo à base de ar comprimido. Acumulador Pistão Placas Sistema de Fechamento Bico Pescoço de Ganso Matriz Principais componentes de uma Máquina de Fundição Sob Pressão em Câmara Quente 3

4 Sistema de canais no processo de Fundição Sob Pressão em Câmara Quente 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/cm 2. 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. 4

5 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 Seqüência Operacional: Fechamento do Molde Fixação da Tubulação de Injeção Separação do Bico de Injeção Abertura do Molde Injeção Retrocesso do Êmbolo Extração dos Machos Extração das Peças 5

6 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 Fundição Sob Pressão em Câmara Fria Acumulador Placas Sistema de Fechamento Pistão Câmara de Injeção Matriz Principais componentes de uma Máquina de Fundição Sob Pressão em Câmara Fria 6

7 Sistema de canais no processo de Fundição Sob Pressão em Câmara Fria 0verflow Bolsão de Ar Vents Saídas de Ar Canais de Enchimento Cavidade (peça) Esquema mostrando os elementos da cavidade de uma matriz para Fundição Sob Pressão em Câmara Fria (sistema de canais de enchimento, bolsões e saídas da ar, cavidade da peça 7

8 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//cm 2. Velocidade de injeção na faixa de 0,1 a 7,0 m/s. Classificação das Máquinas de Acordo com os Princípios Construtivos Máquina de Câmara Fria Horizontal Máquina de Câmara Fria Vertical Deslocamento do Embolo de pressão para cima. Deslocamento do Embolo de pressão para baixo. 8

9 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. 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. Extração do produto 9

10 Ciclo do Processo de Fundição sob Pressão em Máquina de Câmara Fria Vertical Pistão de injeção Alumínio líquido Injeção Ejeção do material residual ( massalote ). Tiro do produto Pinos extratores Varões extratores Preenchimento da cavidade do molde Extração do produto Contra pistão Parâmetros de Processamento: Temperatura da Matriz C Ligas de Alumínio Vida Útil da Matriz de a 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. 10

11 Estágios da Injeção Parâmetros de 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. Velocidade de Injeção Parâmetros 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. Peças com paredes finas Peças muito complexas Maiores velocidades de injeção para compensar a rápida troca de calor entre a superfície do molde e o metal líquido 11

12 Parâmetros de Injeção: Estágios Primeiro estágio : o pistão avança com velocidade lenta para expulsão do ar e gases da câmara de injeção. 2 a Fase 1 a 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. 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. Pistão menor que o padronizado Pistão maior que o padronizado A segunda fase iniciará antes que todo o alumínio ocupe o volume hidráulico da câmara Penetração antecipada o alumínio para dentro da cavidade antes do inicio da segunda fase INJEÇÃO DE AR junto com o alumínio para dentro da cavidade do molde. Peças com JUNTAS FRIAS. 12

13 Segundo estágio: Influência do comprimento do pistão sobre o regime de injeção e os prováveis defeitos. Normal 2 a fase 1 a fase Avançado Pistão maior que o padronizado Juntas Frias Recuado Pistão menor que o padronizado Porosidades 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. 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 Determina: Força de Injeção da Máquina. 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). 13

14 Parâmetros de Injeção: Força de Injeção Pressão Específica de Injeção É obtida através da pressão hidráulica da rede ou multiplicada da Injetora, dividida pela área do êmbolo de injeção. Resultante da Força de Injeção da Máquina dividido pela Área do Pistão de injeção. Ou seja, é a força aplicada a cada cm 2 de metal injetado. A pressão específica (Pe) pode ser regulada na máquina, dependendo do tipo de peça, este valor pode ser estipulado pelo projetista. Peças standard kgf/cm 2 Peças técnicas kgf/cm 2 Peças estanques kgf/cm 2 Força de Fechamento Parâmetros de Injeção: 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 kgf de Injeção, que é determinada pela Pressão Específica ( Pe ) multiplicada pela área projetada do molde. 14

15 Primeiro Estágio Processo de Fundição sob Pressão a Vácuo O vácuo é aplicado no banho fundido que está no forno. O metal fundido é aspirado para a câmara de injeção da máquina, com o objetivo de obter um grau de enchimento de 30 a 40 % Aspiração do metal fundido do forno para a câmara de injeção. Segundo Estágio O pistão avança e efetua a vedação do tubo de aspiração do metal no forno. Processo de Fundição sob Pressão a Vácuo. Desta forma o metal fundido é pressionado contra o canal de ataque da matriz, o que ocorre sob baixas velocidades que variam de 0.2 a 0.5 m/s. Transporte do metal fundido do forno para o canal de ataque. 15

16 Processo de Fundição sob Pressão a Vácuo Terceiro Estágio Corresponde a segunda fase do processo de fundição sob pressão convencional As válvulas de vácuo fecham e o metal fundido é injetado a alta velocidade na cavidade da matriz Velocidades típicas do metal fundido entre 2 e 5m/s para tempos de enchimento de 30 a 70 ms. Preenchimento da Matriz Processo de Fundição sob Pressão a Vácuo Quarto Estágio Após o preenchimento completo da matriz efetuase a pós-compressão em que o metal fundido é submetido a alta pressão até a sua solidificação completa. Compressão Final 16

17 Processo de Fundição sob Pressão a Vácuo Controle da Injeção Para se obter peças fundidas com qualidade homogênea, todas as máquinas são equipadas com um sistema próprio de controle de injeção desenvolvido na empresa para a visualização dos parâmetros do processo. Através deste processo é possível obter o registro e a análise de um conjunto de até 40 parâmetros para o tipo de processo de fundição individual; Processos de Fundição a Baixa Pressão Baixa Pressão Aspiração à Vácuo 17

18 Formação de defeitos em peças fundidas sob pressão O processo de injeção sob pressão é regido por uma série de parâmetros, que adequadamente determinados e ajustados, resultam em uma peça injetada de qualidade. Na injeção sob pressão, o defeito mais comum nas peças obtidas é a porosidade interna. Porosidade Interna. Ar aprisionado no metal líquido Contração na Solidificação Principais Defeitos em Peças Injetadas Baixa Velocidade na Segunda Fase Solda Fria Baixa Temperatura do Metal Contração do metal Porosidades Gases aprisionados no metal Combinação dos dois efeitos 18

19 Influência dos Parâmetros de Injeção na Formação de Defeitos Velocidade lenta de injeção Velocidades muito altas do pistão Formação de uma onda Aprisionamento e mistura do ar no alumínio liquido Velocidades muito baixas do pistão Aprisionamento de ar pela onda [BREVICK, DURAN, KARNI, 1991] [GARBER, 1982] [ SHEPAK, 1963] Influência dos Parâmetros de Injeção na Formação de Defeitos Velocidade rápida de injeção Velocidade da fase responsável pelo preenchimento da peça. Tempo de Enchimento da Peça e Velocidade no Canal de Ataque. Velocidades muito baixas Falhas de preenchimento e solda fria Velocidades muito altas Porosidades [KARBAN, 2001 ] [SYRCOS, 2002] 19

20 Influência dos Parâmetros de Injeção na Formação de Defeitos Pressão de Recalque A densidade da peça aumenta com a intensificação da pressão. Pressão responsável pela compactação da peça durante a solidificação do metal. [GARBER & DRAPER, 1979] O aumento da pressão é inversamente proporcional ao percentual de porosidade. [KAYE & STREET, 1982 ] Simulação Aplicada ao Processo de Injeção A simulação do preenchimento de cavidades em processos de fundição sob pressão é uma área de pesquisa muito atrativa devido ao elevado interesse industrial Os programas mais conhecidos: Diferenças Finitas Elementos Finitos Volumes Finitos AFS, CASTech, FLOW-3D, NovaFlow, MAGMASOFT, MAVIS ProCAST, WRAFTS, THERCAST, Vulcan, WinCast PAM-CAST, ViewCast 20

21 Pesquisas Realizadas no Labfun Grupo de Pesquisa em Fundição e Metalurgia REBELLO, M. A. ; Dissertação de Mestrado Comparação entre a Simulação Via CAE-CAM e os Resultados Experimentais na Fundição Sob Pressão de Ligas de Alumínio. PGCEM Projeto de Pesquisa : Comparação entre a Simulação Via Software e os Resultados Experimentais na Fundição Sob Pressão de Ligas de Alumínio Prof. Guilherme Verran Coordenador Marco Antônio Rebello Mestrando Carlos Gomes de Oliveira Bolsista PIBIC_CNPq_Udesc rofessor: Guilherme O. Verran Enchimento de 70% da Peça V = 1,75 m/s V = 3,15 m/s Temperatura da frente menor que T liquidus Ocorrência de Solda Fria nas Peças VERRAN, G. O. ; REBELLO, M. A. ; OLIVEIRA, C. G.. Comparação entre a Simulação Via Software e os Resultados Experimentais na Fundição Sob Pressão de Ligas de Alumínio. FUNDIÇÃO & SERVIÇOS, SÃO PAULO, v. 11, n. 105, p ,

22 Para baixas velocidades a frente de enchimento apresenta temperaturas menores que T liquidus a partir de 40% do enchimento Variação da temperatura da frente de enchimento para diferentes velocidades de injeção VERRAN, G. O. ; OLIVEIRA, C. G. ; REBELLO, M. A.. Influência da Velocidade de Enchimento sobre a Formação de Defeitos em Peças de Alumínio: Simulação Numérica Vs. Resultados Experimentais. In: 14 CBECIMAT- CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 2000, SÃO PEDRO. ANAIS DO 14 CBECIMAT, p Variação do tempo de enchimento em função da velocidade de injeção. Detalhe da peca injetada com V = 1,05 m/s, mostrando a ocorrência de Solda Fria VERRAN, G. O. ; OLIVEIRA, C. G. ; REBELLO, M. A.. Influência da Velocidade de Enchimento sobre a Formação de Defeitos em Peças de Alumínio: Simulação Numérica Vs. Resultados Experimentais. In: 14 CBECIMAT- CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 2000, SÃO PEDRO. ANAIS DO 14 CBECIMAT, p

23 Pesquisas Realizadas no Labfun Grupo de Pesquisa em Fundição e Metalurgia MENDES, R.P. K. - Dissertação de Mestrado. PGCEM Projeto de Pesquisa : INFLUÊNCIA DOS PARAMETROS DE PROCESSO NA FORMAÇÃO DE DEFEITOS EM FUNDIÇÃO SOB PRESSÃO Prof. Guilherme Verran Coordenador Rui Patrick Konrad Mendes Mestrando Marco Aurélio Rossi Bolsista PIBIC_CNPq_Udesc Tampa para motor de compressor duplo cilindro VERRAN, G. O.; MENDES, R. P. K. ; ROSSI, M. A.. Influence of Injection Parameters on Defects Formation in Die Casting Al12si1,3cu Alloy: Experimental Results and Numeric Simulation (Online publication DOI: /j.jmatprotec ). Journal of Materials Processing Technology, Ireland, v. 179, n. 2, p , Die Casting. 23

24 DOE (Design of Experiments) Testados três parâmetros de injeção: - Velocidade da 1º Fase em 3 níveis - Velocidade da 2º Fase em 2 níveis - Pressão de recalque em 3 níveis Experimento: - 18 combinações de parâmetros - 5 tiros para cada combinação - Total de 90 amostra analisadas VERRAN, G. O. ; MENDES, R. P. K. ; VALENTINA, L. V. D. Doe Applied to Optimization of Aluminum Alloy Die Casting. Journal of Materials Processing Technology, v. 200, p , 2008 VERRAN, G. O. ; MENDES, R. P. K.. Aplicação de DOE na melhoria da qualidade de fundidos sob pressão. FS. Fundição & Serviços, v. 18, p , VERRAN, G. O. ; MENDES, R. P. K. ; VALENTINA, L. V. D. Doe Applied to Optimization of Aluminum Alloy Die Casting. Journal of Materials Processing Technology, v. 200, p ,

25 Critérios para Avaliação da Qualidade das Peças Obtidas Critério 1: Índice Visual de Porosidades Pessoal do C.Q. da Empresa Critério 2: Densidade da Região Crítica da Peça Princípio de Arquimedes Critério 3: Índice Quantitativo de Porosidades (% em área) Software de Análise de Imagens - SCION VERRAN, G. O.; MENDES, R. P. K. ; ROSSI, M. A.. Influence of Injection Parameters on Defects Formation in Die Casting Al12si1,3cu Alloy: Experimental Results and Numeric Simulation (Online publication DOI: /j.jmatprotec ). Journal of Materials Processing Technology, Ireland, v. 179, n. 2, p , Die Casting. Pior Combinação de Parametros Simulações Melhor Combinação de Parâmetros Porosidades Pressão do Ar Retido na Cavidade ao Final do Enchimento Solda Fria Velocidade na Segunda Fase da Injeção VERRAN, G. O.; MENDES, R. P. K. ; ROSSI, M. A.. Influence of Injection Parameters on Defects Formation in Die Casting Al12si1,3cu Alloy: Experimental Results and Numeric Simulation (Online publication DOI: /j.jmatprotec ). Journal of Materials Processing Technology, Ireland, v. 179, n. 2, p , Die Casting. 25

26 VERRAN, G. O. ; MENDES, R. P. K.. Simulação Numérica e Doe Aplicados na Melhoria do Processo de Fundição Sob Pressão de Ligas de Alumínio. Estudos Tecnológicos (Online), Brasil, v. 2, n. 1, p , A simulação do tempo de enchimento mostrou o encontro de duas frentes metálicas indicando o aprisionamento de ar nesta região VERRAN, G. O.; MENDES, R. P. K. ; ROSSI, M. A.. Influence of Injection Parameters on Defects Formation in Die Casting Al12si1,3cu Alloy: Experimental Results and Numeric Simulation (Online publication DOI: /j.jmatprotec ). Journal of Materials Processing Technology, Ireland, v. 179, n. 2, p , Die Casting. 26

27 Velocidade da 2º fase = 1,3 m/s SOLDA FRIA VERRAN, G. O.; MENDES, R. P. K. ; ROSSI, M. A.. Influence of Injection Parameters on Defects Formation in Die Casting Al12si1,3cu Alloy: Experimental Results and Numeric Simulation (Online publication DOI: /j.jmatprotec ). Journal of Materials Processing Technology, Ireland, v. 179, n. 2, p , Die Casting. Velocidade da 2º fase = 2,6 m/s Preenchimento total e ausência de Solda Fria VERRAN, G. O.; MENDES, R. P. K. ; ROSSI, M. A.. Influence of Injection Parameters on Defects Formation in Die Casting Al12si1,3cu Alloy: Experimental Results and Numeric Simulation (Online publication DOI: /j.jmatprotec ). Journal of Materials Processing Technology, Ireland, v. 179, n. 2, p , Die Casting. 27