DISSERTAÇÃO DE MESTRADO OBTIDA POR. Rui Patrick Konrad Mendes

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1 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS CCT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA DEM PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS - PGCEM Formação: Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais DISSERTAÇÃO DE MESTRADO OBTIDA POR Rui Patrick Konrad Mendes AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DOS PARÂMETROS DO PROCESSO DE FUNDIÇÃO SOB PRESSÃO SOBRE A QUALIDADE DE UMA PEÇA INJETADA EM LIGA DE ALUMÍNIO. Apresentada em 08 / 12 / 2005 Perante a Banca Examinadora: Dr. Guilherme Ourique Verran - UDESC (Presidente) Dr. Cláudio Shyinti Kiminami - UFSCar (Membro) Dr. César Edil da Costa - UDESC (Membro) Dr. Luis Veriano de Oliveira Dalla Valentina - UDESC (Membro)

2 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS CCT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA - DEM PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS PGCEM DISSERTAÇÃO DE MESTRADO Mestrando: Rui Patrick Konrad Mendes Engenheiro Mecânico Orientador: Prof. Dr. GUILHERME OURIQUE VERRAN CCT/UDESC JOINVILLE AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DOS PARÂMETROS DO PROCESSO DE FUNDIÇÃO SOB PRESSÃO SOBRE A QUALIDADE DE UMA PEÇA INJETADA EM LIGA DE ALUMÍNIO. DISSERTAÇÃO APRESENTADA PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE MESTRE EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS DA UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA, CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS CCT, ORIENTADA PELO PROF. DR. GUILHERME OURIQUE VERRAN Joinville 2005

3 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA - UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS CCT COORDENAÇÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO - CPG AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DOS PARÂMETROS DO PROCESSO DE FUNDIÇÃO SOB PRESSÃO SOBRE A QUALIDADE DE UMA PEÇA INJETADA EM LIGA DE ALUMÍNIO. por Rui Patrick Konrad Mendes Essa dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de MESTRE EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS na área de concentração "Metais", e aprovada em sua forma final pelo CURSO DE MESTRADO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS DO CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA (presidente) Banca Examinadora:

4 FICHA CATALOGRÁFICA NOME: MENDES, RUI PATRICK KONRAD DATA DEFESA: 08/12/2005 LOCAL: Joinville, CCT/UDESC NÍVEL: Mestrado FORMAÇÃO: Ciência e Engenharia de Materiais Número de ordem: 52 CCT/UDESC ÁREA DE CONCENTRAÇÃO: Metais não Ferrosos (tirar) TÍTULO: Avaliação da Influência dos Parâmetros do Processo de Fundição Sob Pressão sobre a Qualidade de uma Peça Injetada em Liga de Alumínio. PALAVRAS - CHAVE: Ligas de Alumínio, Fundição sob pressão, Defeitos, Simulação, Parâmetros de injeção.. NÚMERO DE PÁGINAS: 87 p. CENTRO/UNIVERSIDADE: Centro de Ciências Tecnológicas da UDESC PROGRAMA: Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PGCEM CADASTRO CAPES: P-9 ORIENTADOR: Dr. Guilherme Ourique Verran PRESIDENTE DA BANCA: Dr. Guilherme Ourique Verran MEMBROS DA BANCA: Dr. Cláudio Shyinti Kiminami, Dr. César Edil da Costa, Dr. Luis Veriano de Oliveira Dalla Valentina.

5 A minha esposa Angela Cristiane e a Meus filhos Phelip e Daniel.

6 AGRADECIMENTOS Ao Prof. Dr. Guilherme Ourique Verran, que como orientador e amigo soube cobrar, mas também não mediu esforços em oferecer todas as condições necessárias à realização do presente trabalho. À Universidade do Estado de Santa Catarina UDESC e ao Programa de Pósgraduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PGCEM pela realização do presente trabalho. Ao Centro de Ciências Tecnológicas e ao Departamento de Engenharia Mecânica pela infraestrutura oferecida. À empresa WEG INDUSTRIAS S.A. pela disponibilização das instalações, materiais e máquinas utilizados nesse trabalho. A todos os professores do Curso de Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais, que de uma forma direta ou indireta contribuíram para a realização desse trabalho. Aos amigos, pelo apoio técnico e moral recebido durante o desenvolvimento desse trabalho. À Especialista em Engenharia de Fundição Luciana Stewe pelo auxílio na realização das simulações. Aos Engs. Mecânicos Eurídes de Araújo Neto, Marco Aurélio Rossi e Anderson pelo auxílio na realização dos experimentos e na realização dos ensaios de caracterização. Ao meu pai Prof. Manuel de Jesus Mendes e tio Prof. Mario Mendes, pelo apoio.

7 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Processo de Injeção sob Pressão Principais defeitos em peças injetadas Principais parâmetros do processo de injeção Simulação aplicada ao processo de injeção Métodos Experimentais Introdução Conceitos gerais sobre métodos experimentais Etapas para o desenvolvimento de um Planejamento de Experimentos DOE (Design of Experiments) METODOLOGIA Caracterização do problema Escolha dos parâmetros de influência e níveis Parâmetros relacionados com a Câmara de Injeção Parâmetros relacionados com ao metal no caso a liga de alumínio empregada Parâmetros Relacionados ao Matriz Parâmetros Relacionados com a Injetora Escolha dos níveis Seleção dos fatores de controle e das variáveis de resposta Critério 1: Índice Visual de Porosidades Critério 2: Densidade pelo Princípio de Arquimedes Critério 3: Índice Quantitativo de Porosidades Determinação da matriz experimental Descrição da seqüência de fabricação da peça Monitoração dos fatores de ruído Monitoração e ajuste dos fatores de controle APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS Análise dos Dados do Experimento (avaliação usando as ferramentas estatísticas) Avaliação dos fatores de controle Avaliação das variáveis de resposta Avaliação das influências dos parâmetros de injeção

8 4.3. Analise comparativa entre os resultados experimentais e os resultados das simulações CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES SUGESTÕES PARA FUTUROS TRABALHOS REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXOS

9 RESUMO Nesta dissertação é descrito um estudo realizado em parceria entre a LabFund/DEM/PGCEM/UDESC e os Departamentos de Engenharia Industrial, de Controle da Qualidade e de Injeção de Alumínio da WEG Motores envolvendo a combinação de uma metodologia experimental DOE e de um aplicativo numérico comercial para investigar a influência dos parâmetros de injeção velocidade na primeira fase, velocidade na segunda fase e pressão de recalque sobre a qualidade de peças injetadas usando a liga SAE 305. Inicialmente foi elaborado um plano de corridas experimentais onde foram utilizadas diversas combinações entre os três parâmetros de injeção acima mencionados de forma a possibilitar a avaliação de suas influências quanto à ocorrência de defeitos de fundição tais como porosidades e solda fria. Para avaliação da sanidade das peças obtidas foram realizadas inspeções visuais pelo pessoal do controle de qualidade da empresa, análises fotográficas e determinação das porosidades usando analisador de imagens, bem como medições de densidade em uma região significativa de uma peça que apresentava uma grande incidência de porosidades após a sua usinagem. Com base nos resultados obtidos através destas análises foram realizadas simulações numéricas do processo usando as combinações de parâmetros de injeção que apresentaram os melhores e os piores resultados quanto à presença de porosidades e solda fria nas corridas experimentais. Os resultados obtidos permitiram avaliar as influências de variações nos três diferentes parâmetros de injeção estudados sobre a sanidade das peças obtidas. Foi possível também determinar as combinações de parâmetros que permitiram a obtenção dos melhores e piores resultados quanto à presença de porosidades. Os melhores valores em termos de sanidade interna da peça em estudo foram obtidos com a utilização de baixas velocidades de injeção, tanto na primeira fase, como na segunda fase e elevadas pressões de recalque. Os valores de densidade, e conseqüentemente a sanidade interna apresentaram relação direta com as pressões de recalque e velocidades de injeção utilizas. A velocidade na segunda fase da injeção apresenta uma forte influência sobre a ocorrência de solda fria em peças injetadas. Palavras-chave: ligas de alumínio, fundição sob pressão, defeitos, simulação, parâmetros de injeção. 3

10 ABSTRACT This paper describes the results obtained in a study performed in partnership between LabFund/DEM/PGCEM/UDESC and the Departments of Industrial Engineering, of Control of the Quality and of Aluminum Die Casting of WEG Motors involving the combination of an experimental methodology DOE (Design of Experiments) and a commercial numeric applicative to investigate the influence from the Die Casting Process parameters: plunger velocity in the first and second stages and upset pressure over the quality from the parts produced with SAE 305 aluminum alloy. Initially was performed a design of experiences where were used several combinations between the three Die Casting parameters studied in order to enable the evaluation from its influences regarding the foundry defects occurrence such as porosities and cold shuts. Sanity evaluation from castings was performed by visual inspections and quantitative metal graph analyses, as well as density measurements in a significant region from the part in which appear large quantities of porosities after surface machining. Based on the results obtained through those analyses, were performed numeric simulations from the die casting process using the same parameters in which were obtained the best and the worst results regarding the presence of porosities and cold shuts in the experiments. The comparison between experimental results and the information obtained through the analyses of the performed simulations shows a good convergence regarding the trend to porosity and cold shuts occurrence in function of the variations from the die casting injection. The results make possible to evaluate the influences from the variations on the integrity in the components from three different die casting parameters studied. The gotten results had allowed evaluating the influences from the variations in the three different die casting parameters studied over the parts internal quality. It was possible also to determine the parameters combinations which results in the best and worst internal quality from the die cast part. The best values had been gotten using low plunger velocities, as much in the first, as in the second stages and highest injection pressures. The density values and the internal quality had consequently presented direct relation with the die casting pressures and plunger velocities. The second stage velocity presented a strong influence on the cold shuts occurrence in the die cast parts Key words: aluminum alloys, die castings, defects, simulation, injection parameters. 4