CONSIDERAÇÕES SOBRE PROJETO PARA FABRICAÇÃO DE PEÇAS POR FUNDIÇÃO RSCP/LABATS/DEMEC/UFPR

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1 CONSIDERAÇÕES SOBRE PROJETO PARA FABRICAÇÃO DE PEÇAS POR FUNDIÇÃO RSCP/LABATS/DEMEC/UFPR

2 Projetos de peças adaptadas ao processo de fundição Aspectos básicos a serem considerados. Problemas relacionados com o projeto de peças fundidas. Problemas durante a fundição - defeitos A FORMA DE QUALQUER PEÇA É DEFINIDA - Aplicação - Pelo seu processo de obtenção. O PROJETO DE UMA PEÇA DEVE SER ADAPTADO PARA A FUNDIÇÃO.

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4 SELEÇÃO DO PROCESSO DE FUNDIÇÃO Metal a ser fundido; Qualidade requerida da superfície do fundido; Tolerância dimensional requerida para o fundido; Quantidade de peças a produzir; Tipo de modelo e equipamento de macharia necessário; Custo de fabricação do(s) molde(s); Como o processo de fundição vai afetar o projeto da peça.

5 Como será produzida a peça - Processo e tipo de moldagem e de Macharia; -Tipo de Forno; - Forma de vazamento; - Liga; - Sistema de Acabamento e rebarbação; -Controles Necessários. Consegue-se melhor resultado quando há uma cooperação entre cliente e fornecedor.

6 Todos os processos citados necessitam de adaptação dos detalhes técnicos *Plano de Divisão; *Ângulo de Saída; *Raios de Arredondamento; *Acréscimo de Usinagem; *Acréscimo de Contração; *Outros específicos: ( Marcação de macho, emplacamento, sistema de enchimento e Alimentação, Dispositivos)

7 Regras Básicas para o Projeto de Peças Fundidas 1. Compensar ou atenuar os efeitos da contração volumétrica durante a solidificação. 2. Evitar cantos vivos e variações abruptas de seção. 3. Eliminar todos os cantos vivos. 4. Reduzir o número de seções que se encontram para formar junções 5. Evitar a ocorrência de tensões na peça. 6. Projete todas as seções com uniformidade de espessura na medida do possível.

8 ...Regras Básicas para o Projeto de Peças Fundidas 7. Manter uma certa proporcionalidade dimensional entre as paredes internas e externas. 8. Saliências, Ressaltos, Asas,... não devem ser utilizados a menos que seja absolutamente necessário. 9. Projete os fundidos usando nervuras e reforços para a obtenção de eficiência máxima. 10. Considerar contração no estado sólido e sobremetal de usinagem nas tolerâncias dimensionais.

9 Projetos de peças adaptadas ao processo de fundição Aspectos básicos a serem considerados: Solicitações (tensões) às quais a peça estará sujeita. Performance necessária. Tipo de material mais adequado para a fabricação da peça. Processo de fundição mais simples e funcional para obtenção da peça.

10 Projetista de fundição deve conhecer: Materiais utilizados em fundição, sum composição química e suas características, aplicações e propriedades. Processos de Fabricação.

11 Detalhes de forma em peças fundidas. Ângulos de Saída: Orientados em função da linha de apartação (linha divisória do molde. Facilitam a extração do modelo evitando o rompimento do molde Arredondamentos: Evitam concentrações de tensões. Reduzem a tendência à formação de pontos quentes.

12 Ângulos de Saída Utilização de ângulos de saída facilitando a extração do modelo sem danificar o molde

13 Ângulo de Saída Inclinação colocada nas paredes perpendiculares ao plano de divisão a fim de facilitar a extração do modelo. Não fazendo uma perfeita adaptação da forma deste modelo, haverá quebra de bolos de areia durante a extração.

14 Linha da irregular para a moldagem Linha correta para a moldagem Utilização de uma linha da apartação reta reduzindo custos na modelação e a na peça final

15 Todos os ângulos devem ser orientados em função do plano de divisão; - Quanto mais alta for a parede do modelo, menor deverá ser o ângulo de saída; - Necessário conhecer bem o processo de fabricação; Existem valores tabelados, orientativos para peças com maiores exigências nas especificações,

16 Devemos considerar alguns detalhes tais como: - Facilitar a extração do molde; - A quantidade de partes menor possível; - Favorecer a estabilidade do macho, facilitar a saída de gases e sua colocação;

17 Regras Básicas para Projetar Peças Fundidas Os 10 Mandamentos do Projetista de Fundição...os aspectos a serem considerados: Contrações no estado líquido,na solidificação e no estado sólido. Tensões decorrentes da solidificação e do resfriamento. Aspectos dimensionais e de geometria das peças.

18 01. COMPENSAR OU ATENUAR OS EFEITOS DA CONTRAÇÃO VOLUMÉTRICA DURANTE A SOLIDIFICAÇÃO. Rechupe Solidificação Dirigida

19 Exemplo de otimização no projeto de uma peça fundida. Junção com concentração de massa Projeto Melhorado através da redução de massa na junção

20 02. EVITAR CANTOS VIVOS E VARIAÇÕES ABRUPTAS DE SEÇÃO. Exemplos de adequação de uma variação de seção aos requisitos de projeto de peças fundidas Projeto incorreto Projeto adequado Projeto inadequado Projeto melhorado

21 02. EVITAR CANTOS VIVOS E VARIAÇÕES ABRUPTAS DE SEÇÃO. Substituir ângulos e cantos vivos por raios de concordância Projetos inadequados que resultam em fragilidade estrutural localizada e/ou rechupe Projetos otimizados de forma a assegurar maiores resistência e sanidade nos fundidos

22 02. EVITAR CANTOS VIVOS E VARIAÇÕES ABRUPTAS DE SEÇÃO. Ponto Quente e Concentração de Tensões Seção em T com problemas de projeto e correspondentes defeitos Projeto melhorado removendo o ponto quente e a concentração de tensões

23 03. ELIMINAR TODOS OS CANTOS VIVOS O uso de arredondamentos, raios de concordância e nervuras apresentam três objetivos sob o aspecto funcional: a) reduzir concentrações de tensões na peça em serviço. b) eliminar a ocorrência de trincas e de afundamentos superficiais em ângulos reentrantes. c) tornar os cantos vivos mais fáceis de serem moldados e eliminar os pontos quentes.

24 03. ELIMINAR TODOS OS CANTOS VIVOS Projeto inadequado Utilização de Raio de Concordância Concentração de tensões e Fragilidade Estrutural Projeto otimizado

25 03. ELIMINAR TODOS OS CANTOS VIVOS Raio de concordância pequeno ocasiona aumento da seção na junção Rechupe e/ou Fragilidade Localizada Projeto adequado devido ao uso de um grande raio de concordância Sob a ponto de vista de fundição o raio de concordância não deve ultrapassar a espessura sobre 2

26 Raios de Arredondamento: Os raios que arredondam as arestas de um ferramental, são importantes para evitar: - Quebra de bolo durante a extração do modelo; - Ressecamento e erosão da areia durante o preenchimento do metal na cavidade do molde; - Superaquecimento e sinterização da areia que forma cantos internos, podendo resultar na peça um rechupe devido a concentração de calor num determinado lugar;

27 Raios de Arredondamento: - Formação de trincas (tensões) devido aos cantos internos vivos; - Cantos externos do modelo devem ser levemente arredondados, para atenuar aparecimento de rebarbas, bastante comuns durante pequenas batidas ao manipular o mesmo; - Evitas cantos duros e quebradiços devido ao super resfriamento prejudicando a usinagem.

28 S I RI RE

29 Normalmente estes arredondamentos são proporcionais ao tamanho da peça; Geralmente usa-se os seguintes valores: -Raios externos como sendo entre 1 a 3 mm, - Raios internos utilizam-se 1/3 da média das medidas das espessuras que formam o ângulo.

30 20 S I R= A + b x 1 R x 1 = 25 x 1 = 8, R = 8 30

31 04. REDUZIR O NÚMERO DE SEÇÕES QUE SE ENCONTRAM PARA FORMAR AS JUNÇÕES. Um bom projeto de fundido deve evitar o encontro de várias seções numa junção, pois isto necessariamente deve gerar a formação de pontos quentes. ts = 3min ts = 3min ts = 5min ts = 7min ts = 9min Aumento no número de seções na junção Aumento no tempo local de solidificação

32 04. REDUZIR O NÚMERO DE SEÇÕES QUE SE ENCONTRAM PARA FORMAR AS JUNÇÕES. Alternância de junções para otimização do projeto Projeto inadequado devido a existência de junções entre várias seções Projeto Otimizado apresentando redução do número de seções nas junções

33 04. REDUZIR O NÚMERO DE SEÇÕES QUE SE ENCONTRAM PARA FORMAR AS JUNÇÕES. Exemplos de projetos que evitam junções com pontos quentes Uso de machos para confecção de um furo e conseqüente redução de massa na junção de várias seções. Projeto otimizado através da utilização de uma junção tipo anel.

34 5. EVITAR TENSIONAMENTO DA PEÇA. Variações nas taxas de resfriamento diferentes seções das peças Surgimento de tensões Meios para reduzir ou prevenir tensões em peças fundidas: Evitar variações bruscas de forma Evitar ângulos reentrantes Variações na direção de contração Evitar multiplicidade de machos Expandem sob o efeito do calor e restringem a contração livre Evitar grandes diferenças entre seções Recozimento para alívio de tensões

35 Efeito do design na distorção de fundidos: (a) vista superior de uma peça mostrando duas seções que solidificam em tempos muito distintos, (b) distorção causada pela tensionamento durante a solidificação.

36 6. PROJETE TODAS AS SEÇÕES COM UNIFORMIDADE DE ESPESSURA NA MEDIDA DO POSSÍVEL Bomba Hidráulica (a) Design Inadequado (b) Design Otimizado

37 7. MANTER UMA CERTA PROPORCIONALIDADE DIMENSIONAL ENTRE AS PAREDES INTERNAS E EXTERNAS Projeto inadequado, apresenta seções internas maiores que as externas Projeto melhorado, com seções praticamente uniformes

38 8. SALIÊNCIAS, RESSALTOS, ASAS,... NÃO DEVEM SER UTILIZADOS A MENOS QUE SEJA ABSOLUTAMENTE NECESSÁRIO. ponto quente Projeto incorreto, ressalto causa um ponto quente. Projeto otimizado reduzindo espessura na zona do ressalto e eliminando o ponto quente.

39 9. PROJETE OS FUNDIDOS USANDO NERVURAS E REFORÇOS PARA A OBTENÇÃO DE EFICIÊNCIA MÁXIMA. As nervuras apresentam duas funções aumentar a rigidez da peça fundida. reduzir o peso e concentrações de massa. Fundamento da Engenharia de Projetos Dimensionamento e o espaçamento correto entre nervuras.

40 Princípios/Regras para o Dimensionamento de Nervuras Dimensionar as nervuras com maior altura (profundidade) do que largura. Nervuras em Compressão Apresentam maior fator de segurança do que nervuras em tração

41 Projeto incorreto causando ponto quente e fragilidade estrutural Projeto melhorado, evita ângulos vivos mas apresenta uma junção de quatro seções

42 Projeto mais adequado, apresenta junção de apenas duas seções Projeto ótimo (formato de favo de mel propicia condições de resfriamento mais uniforme

43 10. CONSIDERAR CONTRAÇÃO NO ESTADO SÓLIDO E SOBREMETAL DE USINAGEM NAS TOLERÂNCIAS DIMENSIONAIS. As contrações no estado sólido são conhecidas e tabeladas para a maioria das ligas usadas em fundição. Regra muito aplicada : as tolerâncias dimensionais devem ser aproximadamente a metade da máxima contração estimada para o tipo de metal ou liga envolvida. Esta regra não se aplica para peças de grande porte, ném para as de projeto complexo.

44 Tolerâncias para Usinagem Final dependem de: (a) tipo de metal usado. (b) projeto e tamanho da peça. (c) tendência ao empenamento e método de usinagem. Na medida do possível, a peça fundida deve ser projetada de tal forma que as superfícies a serem usinadas possam ser localizadas na parte inferior do molde. Quando não é possível evitar peças com superfícies na parte superior, deve providenciar um sobremetal de usinagem adicional.

45 SIMULAÇÃO NUMÉRICA APLICADA AOS PROCESSOS DE FUNDIÇÃO Programas de cálculo que: Auxiliam no projeto das matrizes e modelos. Executam análises do processo, simulando o fluxo interno do metal no molde e prevendo/corrigindo problemas de regiões com alta turbulência, dificuldades de preenchimento, etc. Simulam o processo de resfriamento das peças no molde, corrigindo eventuais regiões críticas.

46 Simulam o processo de resfriamento das peças no molde, corrigindo eventuais regiões críticas.

47 DEFEITOS DE FUNDIÇÃO

48 DEFEITOS DE MOLDAGEM Inclusão de areia Causas:.erosão (lavagem).explosão (fervura).escamas.rabo-de-rato.quebra de cantos do molde..fechamento inadequado do molde..transporte inadequado do molde..limpeza inadequada do molde.

49 Soluções: Em boa parte dos casos consegue-se solucionar ou atenuar o defeito mediante:.um aumento do grau de preparação da mistura.um aumento do grau de compactação do molde nos pontos críticos.a utilização de areia base mais fina (rugosidade)..alterando o sistema de enchimento..

50 Quebra de partes do molde Causas: Normalmente a principal causa deste tipo de defeito é a baixa plasticidade de areia, aliada, eventualmente, a uma baixa resistência mecânica do molde, bem como a uma desregulagem do sistema de extração de moldes da máquina. Soluções:.aumento do grau de preparação da mistura, adequação do teor de bentonita, aditivo (amido de milho) e água da mistura.socamento adequado do molde da máquina.melhora do sistema de extração de moldes da máquina.cuidados na colocação de machos e chapelins nos moldes

51 Penetração metálica Causas:.falta de fluidez da mistura.grau de compactação deficiente. Soluções:.aumentar o grau de preparação da mistura.aumentar o grau de compactação do molde.

52 Superfície áspera Causas:.uso de areia base muito grossa.elevada temperatura da areia preparada. Muita água.. uso excessivo de bentonita e de amido de milho. Soluções: Inverso das causas

53 Erosão Causas:. falta de plasticidade da areia. resistência mecânica insuficiente do molde. uso de areia base muito grossa. elevada temperatura da areia Soluções: Areia fria e um sistema de alimentação tal que permita um enchimento suave da cavidade do molde, melhorar o grau de preparação da mistura.

54 Sinterização de areia Causas: Embora este defeito também possa ser provocado pôr uma forte penetração metálica nos vazios intergranulares, do molde, na maioria das vezes ocorre pôr meio de reações metal-molde. Soluções:.melhora do grau de preparação da mistura.aumento da adição de geradores de carbono vítreo à mistura.

55 Escamas Causas:.baixa resistência à tração a úmido da mistura..excesso de tensões de compressão do molde. Soluções:.melhora do grau de preparação da mistura.uso de bentonita com estabilidade térmica e resistência à tração a úmido mais elevadas..aumento do teor de argila ativa (se já não estiver muito elevado).uso de água industrial com o menor teor de sais possível.redução do grau de compactação do molde.

56 Rabo-de-rato Soluções: Causa: expansão da sílica Geralmente, também neste caso são válidas as mesmas sugestões recomendadas para combater escamas.

57 Veiamento Causa: elevadas tensões do molde, diferindo apenas em termos de aspecto, ou seja, o veiamento é saliente e o rabo-de-rato é reentrante na peça. Soluções:.Falta de Raio de Arredondamento interno ou insuficiente;.aumento da adição de geradores de carbono vítreo.

58 Inchamento da peça Causas: Baixa resistência do molde, aliada a uma excessiva formação de zona de condensação de umidade no molde durante o vazamento do metal. Soluções:.melhora do grau de preparação da mistura.melhora da composição da mistura.aumento do grau de compactação do molde.

59 Pseudo-Rechupe Causa: Normalmente ocorre em função do inchamento da peça. Soluções: Também neste caso são válidas as mesmas soluções recomendadas para evitar o inchamento.

60 Bolhas de Gás Causas:.excessiva umidade e/ou baixa permeabilidade da mistura.elevada temperatura da areia.grau de compactação do molde inadequado.composição da mistura inadequada.sistema de alimentação mal projetado Soluções:.um aumento do grau de preparação da mistura.otimização da composição da mistura.maior eliminação de finos inertes do sistema.utilização de areia de retorno o mais fria possível.. Reavaliar o sistema de canais

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62 Pinholes de hidrogênio Causas: Embora também possa ser proveniente de problemas existentes com a carga metálica, na maioria das vezes sua origem reside na areia, sendo proveniente principalmente de elevada temperatura da areia. Soluções:.melhora do grau de preparação da mistura.otimização da composição da mistura.utilização de areia de retorno o mais fria possível.

63 Penetração por explosão Causas:.excesso de umidade na mistura, tornando-se ainda mais crítico quando há um excesso de geradores de carbono vítreo na mesma.grau de compactação e/ou módulo de finura da areia inadequadas (em alguns casos o defeito ocorre quando os valores desses fatores estão muito elevados e, em outros casos, quando se verifica o contrário) sistema de alimentação inadequado. Soluções:.melhorar o grau de preparação da mistura.otimizar a composição da mistura.

64 PINHOLES DE NITROGÊNIO Identificação Geralmente estão próximos de machos com resina contendo nitrogênio. No exame microscópico revela um aspecto mais alongado e irregular que os pinholing de hidrogênio e as cavidades são revestidas parcialmente por um filme de grafita Causas: Carga metálica contaminada; Resina ; Areia recuperada; Inoculante; Pintura com tinta a base da água.

65 Referências 1. Prof. Guilherme Verran. Disciplina fundição UDESC. 2. Prof. Demarchi. Disciplina Processos de fabricação mecânica Fundição.