Disciplina: Projeto de Ferramentais I Professor: Guilherme O. Verran. Aula 10 Projetos 03 Canais de Enchimento

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1 Disciplina: Projeto de Ferramentais I Professor: Guilherme O. Verran Aula 10 Projetos 03 Canais de Enchimento 1. Introdução - Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Escoamento de Metais em Canais. o Turbulência e número de Reynolds. o Lei da Continuidade. o Perda de Cargas. o Coeficiente de Perda de Cargas. 2. Elementos dos Sistemas de Canais Relações de Escalonamento (relações de áreas) Sistemas Pressurizados e Sistemas Despressurizados. Bacia de Vazamento. Canal de Descida. Canais de Distribuição e Ataque. Posicionamento dos Ataques com Relação ao Canal de Distribuição. Sistemas Verticais de Enchimento. 3. Projeto dos sistemas de canais de enchimento Equações Fundamentais. - Determinação do Tempo de Enchimento da Peça. - Determinação da Velocidade Método da Seção de Choque.

2 Introdução Componentes Básicos de um Sistema de Canais de Enchimento Bacia de Vazamento Canal de Descida Peça Molde com Apartação Horizontal Pé do Canal de Descida Canais de Distribuição Extensão do Canal de Distribuição Canais de Ataque

3 Introdução

4 Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais 1. Turbulência e Número de Reynolds Re = (v.d) / υ v = velocidade do fluído d = diâmetro hidráulico do canal υ = viscosidade cinemática do líquido υ = µ / δ cm / s C.G.S. µ = viscosidade dinâmica (centipoise) δ = densidade do líquido (g/cm 3 )

5 Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais Valores de Viscosidade Cinemática para alguns Líquidos Líquido Água Alumínio F 0 F 0 Cinzento F 0 F 0 Branco Cobre Ferro Fe - 0,75%C Fe 3,4% C Chumbo Magnésio Mercúrio Ligas Metálicas Viscosidade Cinemática (cm /s) 1,00 1,27 0,45 0,40 0,40 0,89 1,10 1,50 0,22 0,80 0,115 0,1/1,5 Temperatura ( 0 C ) S = 50 0

6 Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais Fluxo Laminar Re < 2000 Fluxo Turbulento 2000 Re Fluxo Severamente Turbulento Re 20000

7 Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais Fluxo de Metal na maioria dos casos Reais em Fundição Turbulento Critério no Cálculo de Canais de Enchimento Manutenção de Re < Consequência Prática Para Re < a turbulência é mais interna ao fluxo, com uma fina camada junto à parede Evita-se a quebra da camada de óxido formada na superfície do líquido e sua introdução no seio do líquido

8 Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais 2. Lei da Continuidade Em um canal fechado completamente cheio, a vazão é constante, independentemente de variações locais da velocidade ou da área transversal Q = v 1. A 1 = v 2. A 2 v 1 e v 2 = velocidades no pontos 1 e 2 (cm/s) A 1 e A 2 = áreas da seções transversais nos pontos 1 e 2 (cm 2 ) Q = vazão do líquido em todos os pontos do canal (cm 3 /s)

9 Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais Schematic illustrating the application of Bernoulli's theorem to a gating system Fonte: J.F. Wallace and E.B. Evans, Principles of Gating, Foundry, Vol 87, Oct 1959.

10 Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais 3. Perdas de Carga Em todo o Sistema Real Ocorrência de perda por atrito decorrentes da interação entre as paredes dos canais e o líquido que possui certa viscosidade. Perdas localizadas devido às mudanças de direção e dimensões dos canais Em Fluxos Turbulentos Perdas adicionais devidos às características do fluxo Efeitos de atrito internos à massa líquida

11 Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais Zonas com Desligamento de Fluxo Situações de Perda Localizada por Variação de Seção Ocorrência de Desligamento entre o fluxo e as paredes Aparecimento de regiões de baixa pressão Conseqüência Prática: aspiração de ar e gases resultando em defeitos.

12 Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais Aumento de seção Redução de seção Representação esquemática mostrando a formação de áreas de baixa pressão devido a variações abruptas na seção transversal de um conduto

13 Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais Situações de Perda Localizada por Mudança de Direção Ocorrência de Desligamento entre o fluxo e as paredes Aparecimento de regiões de baixa pressão Zonas com Desligamento de Fluxo Conseqüência Prática: aspiração de ar e gases resultando em defeitos.

14 Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais (a) Turbulência devido a presença de canto vivo (b) Aspiração de ar devido a presença de canto vivo (c) Uso de arredondamentos minimizando a turbulência e a aspiração de ar. Esquema mostrando o fluxo de um fluído com mudança na direção do fluxo.

15 Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais Effect of pressure head and change in gate design on the velocity of metal flow. A, 90 bend; B, r/d = 1; C, r/d = 6; D, multiple 90 bends. The variables r and d are the radius of curvature and the diameter of the runner, respectively. J.G. Fonte: J. G. Sylvia, Cast Metals Technology, Addison-Wesley, 1972.

16 Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais Considerando-se as perdas por atrito, o cálculo da velocidade em algumas seções de área A, no sistema fica: v = 2. g. h. 1/ ( 1 + K n (A / A n ) 2 K n = coeficiente tabelado A = área do ponto onde ser quer a velocidade α = coeficiente global de perdas A n = áreas de perda

17 Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais Coeficientes de Perda sugeridos por Wallace e Evans Tipo de Perda Entrada da Bacia para o Canal de Descida Sem Concordância Coeficiente 0,75 Com Concordância 0,20

18 Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais Coeficientes de Perda sugeridos por Wallace e Evans Tipo de Perda Junção Descida/Distribuição Sem Concordância - Coeficiente 2,0 Com Concordância - Sem Concordância - 1,5 1,5 Com Concordância - 1,0

19 Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais Coeficientes de Perda sugeridos por Wallace e Evans Tipo de Perda Coeficiente Junção em I 2,0 Junção Distribuição/Ataque Sem Concordância 2,0 Com Concordância 0,5

20 Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais Coeficientes de Perda sugeridos por Wallace e Evans Perdas por Fricção Canais Redondos - Coeficiente 0,02 L/D Canais Quadrados - Canais Retangulares - 0,06 L/D h L = Comprimento 0,07 L/D D = Diâmetro h

21 Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais Coeficientes Globais de Perda sugeridos por Wallace e Evans para Sistemas Despressurizados Tipos de Sistemas 01 Canal de Distribuição 02 Canais de Distribuição, com vários ataques, sem mudança de direção no canal 02 Canais de Distribuição, com vários ataques, mudanças de direção de 90 0 no canal Canal de Descida Afunilad o 0,90 0,90 0,85 Canal de Descida Reto e Estrangulamento na Distribuição 0,73 0,73 0,70

22 ELEMENTOS DOS SISTEMAS DE CANAIS Relações de Áreas ou Escalonamento Sistemas Pressurizados A seção menor corresponde aos Ataques Sistemas Despressurizados A seção menor corresponde ao Canal de Descida Idéia Básica Aumentar ou diminuir a velocidade do fluxo a partir da diminuição ou aumento das áreas

23 Relação de Áreas (Escalonamento) Elementos dos Sistemas de Canais Indica a proporção de área dos três componentes básicos do sistema Área Descida Área Descida : Área Distribuição Área Descida : Área Ataque Área Descida 1 : A 1 : A 2 Sistemas Pressurizados A 2 < 1 Sistemas Despressurizados A 2 > 1

24 Elementos dos Sistemas de Canais Vantagens dos Sistemas Pressurizados Sistemas Mais Leves Maior Rendimento Metálico Sistemas é forçado a trabalhar cheio Favorece fluxo uniforme e separação de inclusões de escórias e areias

25 Elementos dos Sistemas de Canais Desvantagens dos Sistemas Pressurizados Perigo de erosão do molde Aumento da Velocidade do Fluxo Provoca forte turbulência na entrada do jato de metal na cavidade da peça. Favorecimento à oxidação e formação de drosses. Aspiração de gases e ar em mudanças de seção e de direção

26 Elementos dos Sistemas de Canais Sistemas Despressurizados Indicados para ligas muito oxidáveis Desvantagens dos Sistemas Despressurizados Possibilidade de aspiração de ar nos alargamentos de seção. Possibilidade de preenchimento incompleto dos canais. Menor Rendimento Metálico

27 Elementos dos Sistemas de Canais Bacia de Vazamento Vantagens da utilização de bacias de vazamento: Estabelece um fluxo mais regular, menos dependente do vazador. Favorece a retenção de inclusões. Dificulta a entrada de ar junto com o fluxo de metal.

28 Elementos dos Sistemas de Canais Seção longitudinal Ideal para uma Bacia de Vazamento

29 Elementos dos Sistemas de Canais Idéias Básicas para o Projeto e Uso de Bacias. Fundo plano e seção retangular de modo a reduzir a agitação do metal vazado da panela e impedir a formação de vórtices (copos de vazamento cônicos) A altura na bacia deve ser mantida em nível suficiente para evitar turbulência e aspiração de ar. A entrada do canal de descida deve ser arredondada para evitar turbulência e aspiração de ar

30 Canal de Descida Elementos dos Sistemas de Canais V = 2.g.h. α Velocidade adquirida por um fluxo de metal em um canal de descida. h = distância a partir do nível do metal na bacia de vazamento Quanto mais o fluxo desce, maior será a sua velocidade, como a vazão ao longo do canal é constante. Necessidade de redução progressiva na área da seção transversal

31 Elementos dos Sistemas de Canais Conicidade Ideal do Canal de Descida A h h x A x = ( h / x ). A n A x Caso não se altere a área da seção transversal, tem-se turbulência e aspiração de ar

32 Elementos dos Sistemas de Canais Depressão e aspiração de ar (a) (b) (c) Representação esquemática mostrando, (a) Fluxo natural de um fluído livre, (b) Aspiração de ar induzida pelo fluxo de líquido em um conduto com paredes retas, (c) fluxo de líquido em um conduto cônico.

33 Elementos dos Sistemas de Canais Recursos a serem utilizados quando não é possível reduzir a seção do canal de descida Uso de macho estrangulador Estreitamento no início do canal de distribuição

34 Elementos dos Sistemas de Canais Canal de Descida Seção Transversal Sistemas Pressurizados Seções quadradas ou retangulares são melhores do que seções circulares no sentido de evitar a formação de vórtices. h A s A c. H / h A s A c H A c = Área dos Ataques A s = Área da Descida

35 Elementos dos Sistemas de Canais Canais de Distribuição e Ataque Aspecto mais Importante Distribuição de Fluxo pelos diversos Ataques Fatores que influem na Distribuição do Fluxo : Relação de áreas (distribuição-ataque) Configuração do Canal de Distribuição Posicionamento do Canal de Descida

36 Elementos dos Sistemas de Canais Applying Bernoulli's theorem to flow from a runner at two ingates for a filled system and comparing velocity and pressure at the ingates for two runner configurations. (a) Same runner cross section at both ingates. (b) Stepped runner providing two different runner cross sections at each ingate. Source: J.F. Wallace and E.B. Evans, Principles of Gating, Foundry, Vol 87, Oct 1959

37 Elementos dos Sistemas de Canais Posicionamento dos Ataques em Relação ao Canal de Distribuição Localização dos Ataques na Parte Inferior do Canal de Distribuição Sistemas Pressurizados Localização dos Ataques na Parte Superior do Canal de Distribuição Sistemas Despressurizados

38 Sistemas de Canais Utilização de filtros cerâmicos Gating system designs for optimizing the effectiveness of ceramic filters in horizontally parted molds having sprue:filter:runner:ingate cross-sectional area ratios of 1:3-6:1.1:1.2 (a) and 1.2:3-6:1.0:1.1 (b).

39 Sistemas de Canais Sistemas Verticais de Canais de Enchimento Sistema Simples Má distribuição de Fluxo Maior parte do metal passa pelo canal inferior.

40 Sistemas de Canais Sistemas Verticais de Canais de Enchimento Sistema com Angulo Diminui a Energia Cinética

41 Sistemas Verticais de Canais de Enchimento Sistemas de Canais Sistema com Canal de Distribuição Invertido Equalização do fluxo através dos canais de ataque

42 Sistemas de Canais Sistemas Verticais de Canais de Enchimento Ataque de baixo para cima, permitindo um preenchimento mais brando da cavidade da peça (com mínima turbulência)

43 Sistemas de Canais Dimensionamento do Sistema de Canais Todo o cálculo de dimensões dos sistemas de canais baseiase nas equações: VAZÃO = VOLUME TEMPO e VOLUME = MASSA R DENSIDADE VAZÃO = VELOCIDADE X ÁREA Portanto: ÁREA = MASSA /(DENSIDADE X VELOCIDADE X TEMPO) (Equação 01)

44 Sistemas de Canais Determinação do Tempo de Enchimento da Peça Wallace e Evans AFS Ferros Fundidos Cinzentos t = K f ( 1,4 + 0,7144. e ). m x 10-3 (Equação 02) t = tempo (s) e = espessura (cm) m = massa (g) K f = F / 40 F = Fluidez (cm) Tabelada em função da composição e do grau de superaquecimento Obs. : para peças acima de 450 Kg recomenda-se substituir m x 10-3 por 3 m x 10-3 na equação 2.

45 Sistemas de Canais Determinação da Velocidade Conforme visto anteriormente: v = 2. g. h. α Como a altura efetiva em cada momento do preenchimento é diferente, pois o líquido acima do plano de distribuição e ataque exerce uma contrapressão, usa-se a velocidade média a partir do nível do ataque: V m = 2. g. ( h o / h 1 ). h 1 2 (Equação 03) h 1 = altura total disponível no sistema h 0 = altura da peça acima do nível do ataque

46 Sistemas de Canais h 0 = 0 h 1 h h h 0 1 h h o Velocidade de enchimento (cm/s) ,2 h 1 0,4 h 1 0,6 h 1 0,8 h 1 Altura de vazamento (mm) Velocidade da menor seção do sistema em função da altura disponível (h 1 ) e da altura da peça acima do nível dos ataques (h 0 )

47 Sistemas de Canais Método da Seção de Choque Elementos que precisam ser discriminados: 1- altura do canal de entrada (ou de descida) H (cm) 2- altura da peça C (cm) 3- altura da peça acima da seção de choque B (cm) 4- peso da peça+massalotes P (Kg) - Inicialmente determina-se a altura efetiva (H ef ) H ef = H - b 2 / 2c P = Peso de todo o sistema a ser enchido (peça+masalotes) H ef = altura efetiva K = constante do material ( cm 5/2 / Kg 1/2 ) Ferro Fundido 4,86 Aços 10,6 Bronzes 5,34 Alumínio 8,25 - Calcula-se então a S c (seção de choque) S =K c P H ef