1 O SISTEMA DE PRODUÇÃO Figura 1 A fabricação de um produto industrial é feita através de um sistema industrial. Esse sistema é composto internamente pelas diversas áreas que compõem a empresa e que, nos dias atuais são fundamentais para que a indústria possa funcionar adequadamente. Externamente ele é complementado pelos fornecedores de matéria-prima e componentes necessários para a fabricação do produto e pelos clientes que adquirem os produtos da empresa. No centro desse sistema encontra-se o sistema de produção, que é onde acontecem os processos de transformação que adicionam valor à matéria-prima transformando-a em um produto útil ao cliente. Essa área, conhecida também como engenharia de fábrica é composta por diversos serviços essenciais para que o processo de transformação aconteça dentro do padrão proposto, produzindo as quantidades demandadas no prazo desejado. A área onde encontram-se as máquinas e homens que executam o processo de transformação é chamada de chão de fábrica. Vide o esquema constante da figura 1. Figura 2 O processo de transformação da matéria-prima em produto normalmente envolve o processamento em várias máquinas, muitas vezes envolvendo também tratamento térmico, pintura, ajustagem, montagem, embalagem, etc. Um esquema de produção de um produto é apresentado na figura 2. A esse processo de transformação da matéria-prima em produto final chama-se processo para fabricação de um produto.
2 Figura 3 Ao conjunto de máquinas e ferramentas que usa os mesmos princípios de produção, para modificar determinada matéria-prima chama-se de Processo de Fabricação. Um exemplo de um processo de fabricação, a usinagem, que processa a peça através da retirada de cavacos, é mostrado na figura 3. NOÇÕES SOBRE NORMALIZAÇÃO TÉCNICA O sistema de produção industrial que permite a fabricação de produtos padronizados, que atendem especificações de fabricação e de qualidade só é possível graças a normalização técnica. 1. O que são Normas Técnicas? Normas Técnicas são documentos que contêm especificações técnicas ou outros critérios precisos, que servem como regras, guias, procedimentos ou definições de características, de forma a assegurar a conformidade de matérias-primas, produtos, processos e serviços. As Normas também contribuem para tornar a vida mais simples, aumentando a repetibilidade e eficiência dos produtos e serviços que usamos. Os principais objetivos da normalização constam da tabela 1. Economia Comunicação Segurança Proteção do Consumidor Eliminação de Barreiras Técnicas e Comerciais Proporcionar a redução da crescente variedade de produtos e procedimentos. Proporcionar meios mais eficientes na troca de informação entre o fabricante e o cliente, melhorando a confiabilidade das relações comerciais e de serviços. Proteger a vida humana e a saúde. Prover a sociedade de meios eficazes para aferir a qualidade dos produtos. Evitar a existência de regulamentos conflitantes sobre produtos e serviços em diferentes países, facilitando assim, o intercâmbio comercial. Tabela 1 2. Tipos de Normas Técnicas Os principais tipos de normas técnicas são: Procedimento, Especificação, Padronização, Terminologia, Simbologia, Classificação e Método de Ensaio. 2.1. Procedimento As normas de procedimento orientam a maneira correta de empregar materiais e produtos, executar cálculos e projetos, instalar máquinas e equipamentos e realizar o controle dos produtos. A NBR 6875, por exemplo, fixa as condições exigíveis e os procedimentos de inspeção para fios de cobre de seção retangular. 2.2. Especificação As normas relativas à especificação fixam padrões mínimos de qualidade para os produtos. A Norma NBR 10105, por exemplo, indica as condições ou especificações exigidas para a fabricação de fresas de topo, com haste cilíndrica para rasgo, conforme a mostrada na figura 4.
3 Figura 4 2.3. Padronização As normas de padronização fixam formas, dimensões e tipos de produtos, como porcas, parafusos, rebites, pinos e engrenagens, que são utilizados com muita freqüência na construção de máquinas, equipamentos e dispositivos mecânicos. Com a padronização, evita-se a fabricação de produtos com variedades desnecessárias tanto de formas quanto de dimensões. A Norma NBR 6415 padroniza as aberturas de chaves e suas respectivas tolerâncias de fabricação para chaves de boca fixa e de encaixe, utilizadas para aperto e desaperto de porcas e parafusos, como pode ser visto na figura 5. 2.4. Terminologia Figura 5 As normas sobre terminologia definem, com precisão, os termos técnicos aplicados a materiais, máquinas, peças e outros artigos. A Norma NBR 6176, por exemplo, define os termos empregados para identificação das partes das brocas helicoidais. 2.5. Simbologia As normas de simbologia estabelecem convenções gráficas para conceitos, grandezas, sistemas, ou parte de sistemas etc., com a finalidade de representar esquemas de montagem, circuitos, componentes de circuitos, fluxogramas etc. A Norma NBR 5266 define os símbolos gráficos de pilhas, acumuladores e baterias utilizados na representação de diagramas de circuitos elétricos em desenhos técnicos, como pode ser visto na figura 6. 2.6. Classificação Elemento de pilha ou acumulador Figura 6 As normas de classificação têm por finalidade ordenar, distribuir ou subdividir conceitos ou objetos, bem como critérios a serem adotados. A Norma NBR 8643, por exemplo, classifica os produtos siderúrgicos de aço. segundo os critérios fixados: Quanto ao estágio de fabricação: brutos, semi-acabados e acabados. Quanto aos processos de fabricação: lingotado, moldado e deformado plasticamente. Quanto aos produtos acabados: planos e não planos. 2.7. Métodos de Ensaio
4 As normas relacionadas a métodos de ensaios determinam a maneira de se verificar a qualidade das matérias-primas e dos produtos manufaturados. A verificação é feita por meio de ensaios. A norma descreve como eles devem ser realizados para a obtenção de resultados confiáveis. A Norma NBR 8374 determina as condições para realização dos ensaios que avaliam a eficiência e qualidade dos medidores de energia. 3. Nível de Aplicação Nível Internacional: Aplicadas nos países membros de uma entidade normativa internacional. Exemplos: IEC, ISO. Nível Regional: Aplicadas nos países membros de uma entidade normativa regional. Exemplos: AMN, COPANT. Nível Nacional: Aplicadas em um determinado país. Exemplos: ABNT, AFNOR, ANSI, BSI, DIN, JIS. Nível Setorial: Aplicadas em um determinado setor de atividade técnica. Exemplos: ASME, ASTM, SAE. Nível Empresarial: Aplicadas dentro de uma determinada empresa. Exemplos: FORD, GM, OPEL, CATERPILLAR. 4. Associações Normativas ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas. A ABNT é uma entidade privada, independente e sem fins lucrativos, fundada em 1940, que atua na área de normalização e certificação. É reconhecida pelo governo brasileiro como Fórum Nacional de Normalização, além de ser um dos fundadores e único representante da ISO (International Organization for Standardization), no Brasil. Além disso, é credenciada pelo INMETRO (Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial). A ABNT é responsável pela elaboração das normas brasileiras (NBR). O trabalho é feito pelas Comissões de Estudos que elaboram o projeto, o qual é submetido à Votação Nacional pelos associados da ABNT e demais interessados. As sugestões são analisadas e aprovadas pelo Conselho Técnico da ABNT, surgindo então a Norma Brasileira (NBR). ISO International Organization for Standardization A ISO é uma federação mundial integrada por Organismos Nacionais de Normalização, sendo somente um representante por país. É uma organização não governamental estabelecida em 1947, da qual a ABNT é membro fundador, contando atualmente com 130 membros. Sua missão é promover o desenvolvimento da normalização no mundo, com vistas a facilitar o intercâmbio comercial e a prestação de serviços entre os países. CMN Comitê Mercosul de Normalização Constituído em 1991, o CMN tem por objetivo criar Normas voluntárias para os produtos e serviços que circulam no bloco. O CMN tem vínculo de cooperação com o Mercosul e se relaciona através do Subgrupo de Trabalho de Regulamentos Técnicos. Com sede em São Paulo, coordena os trabalhos de 19 Comitês Setoriais de Normalização (70% liderados por entidades brasileiras. Outras entidades normativas internacionais de grande importância: SAE Society of Automotive Engineers. ASTM - American Society for Testing and Materials ASME - American Society of Mechanical Engineers DIN Deutsches Institut für Normung 5. Documentos Necessário para a Fabricação e Controle da Produção de um Produto
5 O desenho técnico é o elemento essencial para o projeto e produção de qualquer produto. Podemos dizer que ele é a linguagem do engenheiro. Mas, além dele existem outros documentos que são extremamente necessário para elaboração do fluxo de produção, para o planejamento e controle da produção e para melhoria do processo produtivo. São eles: A Ordem de Serviço (OS) Cotem os dados essenciais à produção de determinado produto, tais como: Quantidade, número do desenho, normas técnicas que devem ser seguidas, número do procedimento padrão de produção, nome do cliente, prazo de fabricação etc. Folha de Processo Informa todas as operações necessárias, descreve essas operações, informa qual máquina deve ser usada para determinada operação e fornece outros dados necessários para o processamento do produto. Um exemplo de folha de processo pode ser visto na figura 7. Figura 7 Lista de Materiais Contém todos os componentes que são necessários para a montagem do produto final e é elaborada em forma de árvore, mostrando a dependência existente entre os diversos componentes. Um exemplo é mostrado na figura 8. Figura 8 Digrama de Fluxo do Processo O diagrama de fluxo do processo mostra a seqüência de processamento de um produto destacando as operações que adicionam ou não valor ao produto. É uma ótima ferramenta para otimização do processo com aumento de produtividade. Um exemplo é mostrado na figura 9.
6 Figura 9 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO A seguir são apresentados de forma sucinta os principais processos de fabricação mecânica. O objetivo desse trabalho não é de forma alguma esgotar o assunto, mas sim dar uma idéia sobre os princípios básicos de cada um deles informando suas principais características e aplicações. Informações mais detalhadas deverão ser procuradas em bibliografia dedicada especificamente a cada um dos processos citados. PROCESSOS DE FUNDIÇÃO 1. Introdução Fundição é o processo para obter-se objetos vazando metal fundido em um molde preparado com o formato da peça, deixando -se o material solidificar-se por resfriamento. A fundição é um dos processos mais antigos no campo de trabalho dos metais e data de aproximadamente 4.000 AC, tendo sido empregados desde esta época inúmeros métodos para obtenção da peça fundida. 1.1. Importância da Fundição Praticamente todo metal é inicialmente fundido. O lingote que dá origem a um metal trabalhado por laminação ou forjamento, é inicialmente fundido em uma lingoteira. Peças fundidas tem propriedades específicas importantes em engenharia, que podem ser: metalúrgicas, físicas ou econômicas. Por exemplo: As peças fundidas são muito mais baratas que as peças forjadas ou conjuntos obtidos por solda, desde que a produção passe de um certo limite mínimo, que compense o investimento no modelo necessário para a execução do molde para fundição. As peças fundidas são obtidas já na sua forma final ou próximo dela, economizando tempo e material. As peças fundidas, adequadamente projetadas, possuem propriedades mecânicas homogêneas. Assim, a sua resistência à tração, por exemplo, é a mesma em todas as direções, o que é uma característica desejável para algumas engrenagens, anéis de pistão, camisas para cilindros de motores, etc. O metal líquido possui a capacidade de escoar em seções finas, de projeto complicado, possibilitando assim a obtenção de formatos que seriam bastante difíceis de obter-se por outro processo. 2. Processos de Fundição O processo mais tradicional é o da fundição em areia, que até hoje é dos mais usados. Este processo é o mais adequado para o ferro e o aço que têm altas temperaturas de fusão, podendo também ser usado, para o alumínio, latão, bronze e magnésio. Outros processos que se destacam pela sua utilização são: Fundição em casca (Shell Molding); Fundição em moldes metálicos (por gravidade ou sob pressão);
7 Fundição centrífuga; Fundição contínua; Fundição de precisão (cera perdida, moldes cerâmicos). 3. Fundição em Areia Verde Para se fundir uma peça em areia necessitamos, inicialmente, preparar o molde para vazamento do metal fundido e, para isso, precisamos ter: o modelo da peça, os respectivos machos e a areia misturada de forma adequada para elaboração do molde. Na figura 10 é mostrado um esquema da seqüência de etapas do processo de fundição em areia verde. Modelo da Peça Preparação da Areia Preparação dos Machos Preparação do Molde Montagem da Caixa Vazamento do Metal Desmoldagem da Peça Corte de Canais Rebarbação da Peça Inspeção da Peça Tratamento Térmico Usinagem da Peça Quando necessário. Peça Pronta Figura 10 3.1. Modelos e Caixas de Macho Um modelo é uma cópia da peça feita de madeira, metal ou outro material adequado (plásticos, resina epóxi, cera, gesso, etc.) sobre o qual é compactado o material de moldagem, dando forma à cavidade do molde que receberá o material fundido. O modelo é feito de acordo com o desenho da peça a ser fundida, com as seguintes modificações: Aumento nas dimensões para compensar a contração do metal durante seu resfriamento no estado sólido. Aumento nas dimensões, de forma a deixar o sobremetal necessário nas superfícies que deverão ser usinadas posteriormente.
8 Inclinação nas paredes verticais, chamada de ângulo de saída, para propiciar a fácil retirada do modelo de dentro do molde, sem arrastar areia. Quando a peça contiver furos, criar saliências, chamadas marcações de machos, que deixarão buracos na areia do molde, para fixação dos machos, que darão origem aos furos. Opcionalmente, pode ser acrescentado ao modelo da peça, o sistema de alimentação (canais e massalotes). 3.1.1. Classificação dos modelos Os modelos podem ser classificados nos tipos apresentados na figura 11 Modelo Solto Monobloco É o tipo mais simples. Geralmente apresenta uma superfície plana que servirá de apoio na moldagem. Os canais e massalotes podem ser acrescentados como apêndices ou serem cortados à mão, no molde. É usado apenas para peças simples ou pequenas séries de produção, devido ao baixo rendimento na moldagem. Modelo Solto Bipartido É feito em duas partes que podem ser ou não iguais. A superfície que as separa será a linha de divisão do molde (tampa e fundo da caixa). O alinhamento entre as duas partes do modelo é obtido através de encaixe por cavilhas. Sempre que possível a superfície de separação entre as duas partes do modelo deverá ser plana, de forma a permitir sua colocação sobre uma placa, para facilitar a moldagem. Modelo Solto Múltiplo Este tipo é usado para peças mais complexas onde, para que o modelo seja retirado do molde sem arrastar a areia, há necessidade de sua divisão em três ou mais partes exigindo, portanto, caixas de moldagem com mais de duas partes. Modelo tipo Chapelona A chapelona consiste de um gabarito, que reproduz uma seção da peça, feito com uma prancha de madeira, reforçada nas beiradas e fixada à uma haste metálica, que permite a obtenção de moldes circulares ao girar-se a prancha em volta da haste. A chapelona é usada para peça de formato circular, que não exijam grande precisão dimensional. Peça Placa Meio-Molde Modelo em placa Neste caso o modelo é fixado à uma placa, visando, uma maior precisão na moldagem, já que as placas apresentam geralmente pinos ou furos que servem como guias para fixação nas respectivas caixas de moldagem. Além disso, este tipo de modelo permite a utilização de máquinas de moldar, o que resulta em um grande aumento na velocidade de obtenção dos moldes. Figura 11 3.1.2. Material para construção dos modelos A decisão sobre o material que se deve utilizar no modelo depende de vários fatores, tais como: Quantidade de peças a serem fundidas Precisão dimensional necessária e acabamento superficial desejado
9 Tamanho e formato do fundido Os principais materiais usados para a fabricação de modelos são a madeira, o alumínio, as resinas plásticas, o aço, o isopor e o gesso entre outros. 3.1.3. Contração de solidificação Como é sabido, todo metal ou liga fundido ao solidificar-se sofre contração. A contração pode ser dividida em duas: Aquela observada quando o material resfria-se ainda no estado líquido (contração líquida). Aquela observada durante o resfriamento do material já no estado sólido (contração sólida). Para compensar a líquida devem ser previstos massalotes e para compensar a contração sólida o modelo deverá ter suas dimensões aumentadas, em relação às da peça que se quer obter. A tabela 2 dá o índice percentual de contração sólida de alguns metais. 3.1.4. Ângulos de saída MATERIAL CONTRAÇÃO Aços 1,5 a 2,0% Ferro fundido cinzento 0,8% Ferro fundido dúctil 0,8 a 1,0% Alumínio 355 e 356 1,5% Alumínio 13 1,0% Cobre-Cromo 2,0% Bronze ao Estanho 1,0% Bronze ao Silício 1,0% Bronze ao Manganês 1,5% Bronze Alumínio 1,5% Tabela 2 Ângulo de saída é a tolerância que se dá às paredes laterais do modelo para poder extraí-lo do molde sem o arraste de areia. Numericamente o ângulo poderá variar entre 0,5º e 2º e, em alguns casos, como em marcações de machos, poderá chegar a 5º 3.1.5. Machos A função básica de um macho é ocupar espaços no molde, não permitindo a entrada do metal, dando origem assim a furos e outras partes ocas da peça, como pode ser visto na figura 12. Entretanto, um macho também pode ser usado para completar uma parte mais delicada de um molde, que não poderia ser produzida com a areia verde do molde, por ser esta menos resistente que as empregadas na fabricação de machos.vide a figura 13. Os machos são feitos de areias endurecidas e podem ser reforçados com estruturas de arame, quando necessário. Eles devem, também, permitir a contração das peças quando do resfriamento do metal e não devem apresentar dificuldades para serem removidos da peça pronta. Figura 12
10 Figura 13 3.3. Areias para Confecção de Moldes e Machos 3.3.1. Principais propriedades As areias devem reunir uma série de propriedades que garantam a obtenção de peças fundidas isentas de defeitos. As principais são as seguintes: Moldabilidade: Capacidade que deve ter a areia de moldagem de adotar fielmente a forma do modelo, e de mantê-la durante o processo de fundição. Refratariedade: É a capacidade do material de moldagem de resistir à temperatura de vazamento do metal sem que haja fusão dos grãos de areia. Estabilidade Térmica Dimensional: O material de Moldagem não deve sofrer variações dimensionais quando submetido às mudanças de temperatura que ocorrem nos moldes por ocasião do vazamento do metal fundido. Inércia química em relação ao metal líquido: Em princípio, o material de moldagem não deve reagir com o metal líquido ou com os gases presentes na cavidade do molde. Permitir esmagamento: É a qualidade que deve ter a areia de moldagem de ceder, quando submetida aos esforços resultantes da contração da peça ao solidificar-se. Se o molde (ou o macho) não permitir o esmagamento poderá ocorrer o rompimento das peças ou a formação de "trinca à quente. Resistência mecânica à quente: As paredes do molde e machos devem manter a resistência mecânica, mesmo quando aquecidas, para resistir aos esforços devidos ao impacto e empuxo exercidos pela massa de metal que enche o molde. Permeabilidade aos gases: É a propriedade, que deve ter o molde de deixar passar o ar, os gases e os vapores existentes ou gerados em seu interior, por ocasião do vazamento do metal. Os gases presos no interior dos moldes podem dar origem a defeitos, tais como as cavidades originadas por bolhas. Desmoldabilidade: É a facilidade com que se pode retirar uma peça do interior do molde, de modo a obter-se um fundido isento de resíduos e material de moldagem. 3.3.2. Composição das areias de moldagem
11 Tipos de areia para a confecção de moldes As areias de sílica são as mais utilizadas nas operações de moldagem. Elas são compostas basicamente de sílica, um aglutinante e água. Vide a figura 14. A sílica (SiO 2 ) tem grãos arredondados de vários tamanhos. Sua permeabilidade diminui quanto mais fino for o grão e quanto mais variados forem os tamanhos de grão. Figura 14 Para uma boa porosidade a sílica deve ter grãos uniformes e não muito finos. A proporção de sílica varia de 80 a 95% nas areias de moldagem e seu ponto de fusão é de 1.650ºC. Os aglutinantes mais usados são a argila e a bentonita. As argilas, que são silicatos de alumina que formam ao umedecer-se, uma massa plástica que liga os grãos de sílica. A resistência da areia aumenta com a proporção da argila, mas sua porosidade diminui, pois a massa formada pela argila é impermeável. Seu ponto de fusão é de 1.250ºC. Por motivos de permeabilidade e temperatura de fusão as areias muito argilosas são utilizadas apenas para fundição de metais de baixo ponto de fusão, tais como o alumínio (700ºC). A proporção de umidade varia entre 5 a 10%. Esse conteúdo de água influencia na plasticidade, permeabilidade e resistência dos moldes e, portanto, deve ser constantemente verificado e mantido dentro do nível ideal. A bentonita é um mineral que se encontra sob forma de um pó finíssimo, que umedecido forma uma massa muito compacta. A quantidade de bentonita para preparação da areia é muito menor que de argila (1 a 5%), o que torna a permeabilidade da areia muito maior. Tipos de areia para a confecção de machos Para a fabricação de machos, além da sílica e da bentonita são juntados outros aglutinantes para favorecer o endurecimento da areia. Estes aglutinantes podem ser: Óleos (principalmente óleo de linhaça) e materiais cereais (farinha de trigo, de milho, etc.). Os machos preparados com esses aglutinantes são endurecidos em estufa, apresentando boa resistência e fácil desmoldagem. São conhecidas como areias estufadas Resinas sintéticas (uréia, fenólica ou furânica), conhecido, também como macho de shell A aplicação de resina sintética como aglutinante permite maior rapidez de preparação do macho (menos tempo de estufa), facilidade de retirada dos machos, eliminação de gases e melhor acabamento. Silicato sódico + Anidrido Carbônico (CO2) Consiste em misturar-se sílica seca com um aglutinante a base de silicato sódico, preencher as caixas de machos com este preparado e seca-lo em seguida, de forma contínua, fazendo passar CO2 pela massa. O CO2 provoca uma reação química que endurece a areia pela formação de um gel coloidal de silício. Esse processo elimina a necessidade de estufa e possui uma grande rapidez de preparação, eliminando também, devido a sua grande resistência, a necessidade de suportes e armaduras interiores. Vide a figura 15. Existem mais uma série de tipos de areia para aplicações especiais, que não serão objeto deste trabalho.
12 CO2 3.3.3. Preparação das areias de moldagem Caixa de macho Figura 15 As areias, por estarem em contato com o metal fundido, perdem suas propriedades, de forma que constantemente elas devem ser recicladas. A areia que se utiliza normalmente é composta de: areia velha, areia nova, água e pó de carvão. O pó de carvão é usado para impedir a formação de uma capa superficial de óxido sobre a peça fundida, além de aumentar a porosidade e melhorar o acabamento. Estas areias devem ser preparadas em máquinas misturadoras e são utilizadas como areias de moldagem propriamente ditas, para cobrir o modelo, distinguindo-se das areias de enchimento, que são usadas unicamente para encher as caixas e, como não estão em contato direto com o modelo não influem no acabamento das peças fundidas. As areias de enchimento podem ser de qualidade inferior, ou mesmo areia velha. A areia de fundição pode ser reciclada, com aproveitamento quase total. 3.3.4. Misturadores de areia São equipamentos utilizados para o preparo das areias de moldagem, através da mistura de todos seus componentes. A areia é introduzida em uma caçamba, onde é revolvida por um conjunto de facas e misturada através dos mós (rodas) podendo ser, a seguir, transferida para uma segunda caçamba onde é homogeneizada a mistura. Essa mistura vai saindo de forma contínua e em altas quantidades. 3.4. Métodos de Moldagem 3.4.1. Manual A moldagem manual é um método mais lento, porém ele é ainda usado para moldagem em bancada ou no chão, quando se têm modelos soltos, ou ainda quando se está produzindo peças experimentais ou muito grandes. Vide a figura 16. Figura 16
13 3.4.2. Moldagem à Máquina Figura 17 Máquina de moldar por impacto e compressão Nessa máquina, como podemos observar na figura 17, todo o conjunto é elevado por um pistão pneumático que o deixa cair no fim do curso, em queda livre, dando-se a compactação da areia através do impacto. Em seguida, é completada a quantidade de areia necessária para encher a caixa e uma prensa termina o trabalho de compactação da areia. Para a moldagem, o modelo em placa é preso à mesa da máquina e a caixa do molde é encaixada sobre ele, através de pinos guias. Após repetidas operações do pistão e da ação da prensa, a areia fica compactada e a caixa com o molde é retirada da máquina através de pinos extratores. Máquina de Moldar por Projeção de Areia Indicada especificamente para peças de grandes dimensões que não podem ser moldadas pelas máquinas de impacto e compressão. Este processo provoca uma certa abrasão no modelo e, portanto é aconselhável que a areia de faceamento seja socada manualmente. Vide a figura 18. Figura 18 3.5. Sistema de Alimentação A função de um sistema de alimentação é a de permitir o enchimento completo da cavidade do molde, prevenindo a ocorrência de defeitos tais como: inclusão de areia ou escória e falhas internas na peça. O sistema de alimentação deve ser projetado de maneira que a solidificação do metal se processe do ponto mais distante da alimentação para o ponto mais próximo. Vide a figura 19. 3.5.1. Elementos básicos Bacia de vazamento Figura 19
14 Tem a função de permitir o vazamento do metal líquido da panela sem que haja derramamento. Por este motivo possui uma seção maior. Além disso ela ficará sempre cheia, permitindo que ocorra uma separação entre a escória e o metal, por diferença da densidade. Canal de descida Além de permitir a passagem do metal líquido, ele procura diminuir a turbulência do metal durante a descida, daí seu formato cônico. Ele deve ter altura suficiente para que todo o molde seja preenchido com o metal fundido. Canal de distribuição Tem a função de distribuir o metal pelos vários canais de ataque. Possui um prolongamento após o último canal de ataque que serve para conter o primeiro metal líquido que entra no molde e que carrega consigo sujeira e areia. Assim esse metal não atinge nenhum canal de ataque e não irá estragar a peça com inclusões. Canais de ataque ou alimentação A sua correta distribuição por vários pontos da peça é que garantirá um gradiente favorável de temperatura evitando distorções por diferenças de temperatura nos diversos pontos. Massalotes O massalote é colocado no sistema de alimentação para conter o rexupe (vazio interno), que de outra forma estaria localizado na peça. O rexupe ocorre devido à peça se solidificar de fora para dentro. Assim forma-se uma casca que passa a impedir o fluxo de metal líquido para o interior da peça, não permitindo a compensação da diminuição do volume de metal, que ocorre devido à contração no estado líquido. O metal vazando na cavidade do molde deve começar a solidificar-se a uma distância extrema dos massalotes. Desta maneira os vazios devido à contração de resfriamento movem-se progressivamente pela peça até atingir os massalotes, que devem ser a última região a solidificar-se e, portanto, conter o rexupe devido à contração do metal líquido. 3.5.2. Localização da entrada do canal de alimentação no molde À princípio o metal poderá encher o molde entrando por três posições diferentes: Por cima, por baixo ou na altura da divisão das caixas, conforme mostrado na figura 20. Cada uma delas tem suas vantagens e desvantagens, como comentado a seguir: Figura 20 Alimentação por cima Há a formação de um gradiente favorável de temperatura, porém o jato de metal tende a erodir o fundo do molde. Alimentação na divisão das caixas Maior facilidade para a abertura do canal. Entretanto é preciso cuidado para não dirigir o jato de metal contra paredes do molde ou dos machos. Alimentação por baixo A favor temos o escoamento laminar do metal e o enchimento do molde de baixo para cima, que não causa problemas de erosão. Por outro lado, é mais difícil de ser cavado o canal e o gradiente de temperatura é desfavorável, favorecendo a formação de "rexupe" na peça.
15 3.5.3. Resfriadores Quando, por causa da complexidade da peça, a solidificação não puder ser dirigida adequadamente para o massalote, pode-se utilizar resfriadores. Estes são pedaços de metal inseridos no molde que, em contato com metal fundido, irão diminuir sua temperatura e acelerar a solidificação daquele ponto da peça. Os resfriadores podem ser externos, quando não farão parte da peça, ou internos, quando são do mesmo metal da peça e serão incorporados à mesma. 3.5.4. Ventilações São pequenos furos feitos na areia do molde, com arame ou estilete, para facilitar a saída de gases e vapores, sempre que a permeabilidade da areia não for suficiente para isso. 3.5.5. Simulação de resfriamento Existem softwares que simulam o resfriamento dentro do molde, de uma determinada peça, permitindo através da diferenciação de cores, determinar-se a melhor localização dos canais de alimentação, massalotes, etc. Dessa forma podemos otimizar o projeto do sistema de alimentação, garantindo menor gasto de metal e ótima qualidade para a peça. Vide a figura 21 Figura 21 3.6. Desmoldagem A retirada da peça de dentro do molde deve ser feita após sua solidificação, não sendo obrigatório o resfriamento até a temperatura ambiente. Normalmente usam-se máquinas de desmoldar, que consistem de uma grelha vibratória aonde o molde é colocado. Com a vibração a areia solta-se da peça e cai, através da grelha, sobre uma esteira rolante, que a conduz para ser preparada para novo uso. 3.7. Remoção de Canais e Massalotes Os canais e massalotes são cortados da peça através de impacto, serras, discos abrasivos ou chama oxiacetilênica, dependendo do caso. 3.8. Rebarbação e Limpeza Peça pequenas normalmente são rebarbadas através da colocação das mesmas em tambores rotativos juntamente com material abrasivo. Peças maiores podem ser jateadas com areia ou granalha de aço, ou esmerilhadas com rebolos e pontas montadas. 3.9. Tratamento Térmico Quando se deseja melhorar a usinabilidade do material e aliviar as tensões originadas durante o resfriamento das peças fundidas, elas devem ser submetidas a um tratamento de recozimento. 3.10. Usinagem Furos de dimensões reduzidas, roscas, detalhes complexos, maior precisão dimensional e melhor acabamento devem ser obtidos através de usinagem. Para tanto devem ser previstos sobremetal e marcações de referência para balizamento da usinagem.
16 4. Fundição em Casca - "Shell Moulding" Este método de moldagem é feito usando-se um molde de paredes delgadas. Este é uma espécie de envoltório (casca), feito de uma mistura composta de areia de quartzo de granulometria fina aglomerada com resina fenólica ou furânica. A mistura tem a propriedade de sinterizar-se formando uma casca permeável, ao entrar em contato com a superfície do modelo metálico aquecido a cerca de 200 graus C. 4.1. Preparação do Molde O preparo do molde empregando este método consiste em preparar-se a casca, sempre feita em duas metades e, em seguida, uni-las através de cola ou grampos, formando o molde. A figura 22 dá a seqüência esquemática para a elaboração de um molde tipo casca. 3 1 4 2 5 6 Figura 22 Seqüência da operação: No recipiente da máquina carrega-se a mistura de moldagem (1). A placa de modelar metálica, devidamente aquecida até uma temperatura de 150º a 230º C é presa sobre o recipiente da máquina (2). O recipiente gira de 180ºC, com a mistura de moldagem ficando sobre o modelo metálico aquecido. Permanece nesta posição durante 15 a 20 segundos. Durante este período de tempo forma-se na superfície do modelo uma casca de 6 a 10 mm de espessura.(3). O recipiente gira novamente voltando a sua posição anterior. A casca permanece aderida ao modelo e o excesso de mistura de moldagem volta para o fundo do recipiente (4). A placa de modelar com a casca formada, é retirada do recipiente e colocada no forno de cocção, onde é mantida durante 30 a 40 segundos a uma temperatura entre 250º a 300ºC (5). A casca sinteriza-se e solidifica-se, sendo retirada da placa com a ajuda de pinos extratores. Os moldes são obtidos através da colagem ou colocação de presilhas, que unem suas duas partes (6). No caso de peças maiores, os moldes devem ser mergulhados em areia ou granalhas de ferro, ou ainda mantidos entre guarnições metálicas, a fim de contrabalançar a pressão hidrostática exercida pelo metal fundido. 4.2. Vantagens e Aplicações do Processo Com o Shell Molding podem-se obter peças de ferro fundido, aço e metais não ferrosos com pesos desde dezenas de gramas até aproximadamente 200 Kg. A precisão do processo, que varia de 0,2 a 0,5 mm, aliada a um excelente acabamento superficial, permite que, em muitos casos, a usinagem posterior seja dispensada. Além disso a superfície da peça moldada fica tão limpa que não necessita de tratamento mecânico de limpeza. Peças fundidas de paredes delgadas e com muitos detalhes, também são facilmente obtidas por este processo. Os moldes de shell podem ser preparados com antecedência e estocados por longo
17 tempo. Trata-se de uma tecnologia simples e fácil de mecanizar e automatizar, daí sua crescente aplicação. 5. Fundição em Moldes Permanentes Denomina-se fundição em molde permanente a qualquer processo de fundição em que o metal líquido é vertido em molde, geralmente metálico, que possa ser utilizado um grande número de vezes, sendo por isso denominado permanente, ao contrário dos processos vistos anteriormente (areia e shell), onde o molde é usado uma única vez. Existem dois processos básicos para a fundição em moldes permanentes: Por gravidade Sob pressão 5.1. Fundição em Moldes Metálicos Alimentados por Gravidade Também conhecido pelo nome de fundição em coquilha, neste processo o molde metálico é preenchido unicamente pela ação da gravidade. Neste caso a matriz (molde) pode ser aberta e fechada manualmente ou automaticamente. Os machos usados podem ser metálicos ou de areia. Os de areia são usados quando, devido a sua complexidade, fica difícil sua retirada da peça pronta, ou quando não se exige grande precisão e acabamento do furo. 5.1.1. O Processo Os moldes são geralmente feitos de ferro fundido, aço ou bronze, dependendo da durabilidade esperada e da temperatura de fusão do metal da peça. A vida de um molde varia entre 3.000 a 10.000 peças para fundição de ferro, e pode chegar até 100 mil peças para fundição de metais moles. Para a fundição em coquilha o molde deve ser aquecido previamente, a fim de evitar-se o choque térmico que resultaria de um resfriamento muito rápido. É também aplicado um desmoldante interno que, além de facilitar a posterior desmoldagem e melhorar o acabamento da peça, poderá controlar o resfriamento da mesma. Assim, existem dois tipos de revestimento: Os comuns, a base de grafite e os isolantes a base de argila. Esse último impede o rápido resfriamento de paredes muito finas, diminuindo os riscos de trincas provocadas pela contração brusca da peça. 5.1.2. Aplicações e vantagens Atualmente a fundição em coquilha é amplamente usada para metais não ferrosos (chumbo, zinco, alumínio, magnésio, estanho, cobre e suas ligas) e, em menor intensidade, para ferro fundido. O tamanho das peças geralmente não ultrapassa 25 Kgf, podendo no entanto atingir até cerca de 200 Kgf. As peças obtidas nos moldes metálicos têm uma estrutura de grão fino e propriedades mecânicas elevadas, mas devido ao resfriamento rápido surgem tensões nas camadas superficiais das peças, tornando necessário, na maioria das vezes, submetê-las a um tratamento térmico de recozimento. O acabamento obtido é perfeito, conseguindo-se precisão da ordem de 0,1 mm. Os gases formados devem escapar do molde através de orifícios capilares colocados na emenda das duas partes do mesmo. A peça deve ser desmoldada imediatamente após a sua solidificação para evitar que sua contração aconteça no interior do molde, o que poderia provocar trincas na peça, pois o molde metálico não é deformável, para poder acompanhar a contração da peça. A coquilha pode usar machos de areia, ou metálicos, conforme a necessidade. A figura 23 mostra uma coquilha para fundição por gravidade de um pistão para motor de combustão interna, de liga de alumínio. No exemplo o macho metálico é desmontável a fim de poder ser retirado depois da fundição da peça.
18 5.2. Fundição sob Pressão Figura 23 A fundição sob pressão, como no processo de fundição em moldes permanentes por gravidade, utiliza moldes metálicos pré-aquecidos, também chamados de matrizes, só que a alimentação do metal fundido é feito sob pressão. A pressão assegura um bom preenchimento da cavidade do molde com o metal, reproduzindo seções bastante finas e detalhadas, garantindo a isenção de porosidade nas seções da peça. A produtividade desse processo é extremamente elevada, podendo chegar a produzir até 1000 peças por hora. 5.2.2. O Processo A fundição sob pressão é sempre feita através de máquinas apropriadas, que fecham e travam as matrizes, injetam o metal sob pressão para dentro dos moldes, enquanto que os gases que estavam em seu interior são expulsos através de ventilações na emenda das duas partes, que compõem o molde. Logo que a peça se solidifica, as matrizes se abrem e o fundido é ejetado através de pinos extratores. Enquanto as matrizes estão abertas elas são limpas e lubrificadas para a próxima operação. 5.2.3. Máquinas para obtenção de peças por fundição sob pressão Figura 24 Máquinas de câmara quente Estas máquinas são empregadas para obtenção de peças de ligas metálicas, com temperatura de fusão mais baixo. A figura 24 mostra uma máquina de ação por êmbolo, usada para a fusão de chumbo, estanho, zinco e ligas de ponto de fusão até cerca de 450 C. No recipiente de ferro fundido despeja-se o metal líquido, cuja temperatura é mantida constante através de aquecimento do banho. O metal líquido enche a cavidade do cilindro e do canal de alimentação, através de orifício existente. Com a descida do êmbolo do cilindro pneumático, o metal é pressionado para dentro do molde. Quando a peça solidifica-se o êmbolo levanta-se e o metal líquido desce novamente para seu nível original. A última operação da máquina é a abertura das matrizes e a ejeção da peça. O rendimento dessas máquinas é elevado e elas podem ser totalmente automatizadas. A pressão sobre o metal pode variar de 6 a 100 atm.
19 A desvantagem deste tipo de máquina é que suas peças estão em parte mergulhadas no metal fundido, o que limita os metais que podem ser fundidos, uma vez que temperaturas acima de 500ºC, favorecem a formação de películas de óxido nas paredes do cilindro, impedindo o livre movimento e causando grande desgaste do cilindro e do êmbolo. Máquinas com câmara fria. Essas máquinas podem ser usadas para ligas de alta temperatura de fusão, tais como as de cobre, ou para ligas que atacam o ferro como as de alumínio ou magnésio. Nesta máquina o metal fundido não está em contato com a câmara de pressão de forma contínua, mas unicamente é introduzida em cada injeção a quantidade necessária de metal em estado pastoso. O cilindro transmite a pressão necessária para a injeção e serve para a manobra de fechamento e abertura da matriz. A pressão nesse tipo de máquina pode variar entre 200 e 2000 atm e a produção pode atingir 500 peças por hora. Vide a figura 25. Figura 25 5.2.4. Aplicações e vantagens do processo Com este processo produzem-se pequenas peças para a indústria de eletrodomésticos, automobilística, eletrônica, aeronáutica, etc., a partir de ligas de chumbo, alumínio, estanho, magnésio, cobre e principalmente zinco (ZAMAK) devido a seu baixo custo, baixo ponto de fusão e boas propriedades mecânicas. A peça extraída do molde não exige elaboração mecânica adicional, podendo-se obter orifícios finos e roscas de precisão, devido ao excelente acabamento, e da precisão conseguida no processo, que varia de 0,1 a 0,01 mm. A estrutura do metal das peças moldadas, em conseqüência do rápido resfriamento no molde metálico, é de grão fino, com elevadas propriedades mecânicas. Consegue-se obter paredes bastante finas, de até 1 mm de espessura. O peso do fundido é limitado, geralmente não passando de 5 Kgf. Como foi visto este processo é adequado para alta produção, pois de outra maneira torna-se antieconômico, devido ao preço do ferramental e maquinaria. 6. Fundição Centrífuga Neste processo o metal líquido é introduzido no molde, que gira com rapidez e, sob a ação da força centrífuga, é pressionado contra suas paredes. Desta maneira o processo não deixa de ser um tipo de fundição sob pressão, onde essa é controlada pela velocidade da rotação do molde. 6.1. O processo Na fundição centrífuga o eixo de rotação pode estar na posição vertical ou horizontal.
20 Posição Vertical Neste caso haverá a formação de um furo cônico (efeito de Corolis) no centro do molde. Daí este processo só ser usado para a produção de peças de pequena altura, quando o efeito é minimizado, ou para a produção de um conjunto de pequenas peças, quando então o centro do molde é ocupado pelo sistema de alimentação, conforme mostrado na figura 26. Figura 26 Posição Horizontal Com o eixo de rotação na posição horizontal as paredes da peça cilíndrica tornam-se de espessura igual em todo seu comprimento, mas para que isso aconteça é necessário um determinado número de rotações. O número de rotações não deve ser inferior ao dado pela seguinte fórmula: n > 5520/ γ.r Figura 27 Onde: n é a rotação mínima em rpm; R é o raio da peça em cm e γ é o peso específico em g/cm3. Este processo é usado principalmente na fundição de tubos de ferro e aço fundido, pois o tubo é formado sem a necessidade de macho. Vide a figura 27. 6.2. Aplicações e Vantagens do Processo A aplicação mais racional da fundição centrífuga é na elaboração de peças metálicas ocas que têm formas simples de corpos de revolução (tubos, cilindros, blanks para engrenagens, etc.). Neste tipo de fundição podem ser usados moldes metálicos ou de cerâmica. As peças obtidas através de moldes metálicos, geralmente devem ser submetidas a recozimento para alívio de tensões. 7. Fundição de Precisão (Processo da Cera Perdida) É um processo de moldagem que utiliza um molde produzido por um modelo de cera, o qual é derretido e retirado do molde durante o seu cozimento em forno.
21 7.1. O Processo Figura 28 O primeiro passo para obtenção da peça fundida consiste em fazer-se o modelo em cera. Para isto injeta-se cera líquida em uma matriz de madeira ou metálica e espera-se até que a mesma endureça por resfriamento. Uma vez obtido o modelo, reveste-se o mesmo com uma pasta refratária especial para a confecção deste tipo de molde. O molde é então levado ao forno, onde a pasta endurece ao mesmo tempo em que a cera derrete e evapora-se deixando livre o oco do molde para o vazamento do metal. Este molde é usado uma única vez, visto que, para retirada da peça pronta é preciso quebrá-lo. Vide a seqüência do processo na figura 28. 7.2. Aplicações e Vantagens do Processo Ideal para peças pequenas (até 5 Kgf) e complexas que exijam ótimo acabamento e boa precisão dimensional. Consegue-se uma produção relativamente elevada, com um mínimo de investimento em equipamento e ferramental.
22 8. Fundição Contínua 8.1. O Processo Figura 28 O metal é vazado, de forma contínua, através de uma bica de enchimento e desce por um veio, até atingir uma coquilha de grafite resfriada, que dá o formato desejado ao metal e, ao mesmo tempo, promove a sua solidificação. O perfil obtido dessa forma avança até uma tesoura de corte, onde é cortado em tamanho apropriado. 8.2. Aplicações e Vantagens do Processo Usado para a produção de barras e perfis fundidos que, normalmente, serão usados como matériaprima para a produção de peças usinadas.