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UNIP – UNIVERSIDADE PAULISTA ICET – Instituto de Ciências Exatas e Tecnológicas
Disciplina Discipl ina de Processos d e Fabricação Fabricação 1
APOSTILA A POSTILA 1 - PROCESSOS DE FUNDIÇÃO
Prof. Marcelo José Simonetti
Campus Sorocaba/Éden APOSTILA 1 – Fundição 1 – Processos de Fabricação 1 – Eng. Mecatrônica – Prof. Marcelo J. Simonetti.
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 uma das indústrias mais antigas 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. Destes o 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 nos dias de hoje são: Fundição em casca (Shell Molding) Fundição em moldes moldes metálicos metálicos (por gravidade ou sob pressão) Fundição centrífuga Fundição de precisão (cera perdida, perdida, moldes cerâmicos) • • • • •
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, 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 capacidade de escoar em seções seções finas, de projeto complicado, complicado, possibilitando assim a obtenção de formatos que seriam bastante difíceis de obter-se por outro processo. O ferro fundido é o único metal ccom om boas características de amortecimento, minimizando vibrações vibrações e sendo, portanto, ideal para bases de máquinas, bloco de motores, etc. •
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2. Processos de fundição Serão objeto de estudo neste curso os seguintes processos: Fundição em areia. Fundição em casca. Fundição em coquilha. Fundição sob pressão. Fundição centrífuga. Fundição de precisão pelo processo da cera perdida. • • • • • •
3. Fundição em areia 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. A seguir damos um esquema da seqüência de etapas do processo de fundição em areia e analisamos sucintamente cada uma delas
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3.1. Seqüência do processo de fundição em areia: 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 Quando necessário. Usinagem da Peça Peça Pronta
3.2. 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.) ao redor do 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. 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. •
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Opcionalmente, pode ser acrescentado ao modelo da peça, o sistema de alimentação (canais e massalotes). 3.2.1. Classificação dos modelos Os modelos podem ser classificados nos seguintes tipos: 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
,
Macho
Caixa de Macho
Macho
Molde
•
Modelo Solto Bipartido
Modelo e Macho de um Volante
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.
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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.
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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.
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Modelo em placa Peça
Placa
Meio-Molde
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.
3.2.2. 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 Tamanho e formato do fundido • • •
A tabela a seguir mostra uma comparação entre as características mais importantes de vários materiais. Comparação das Características de Materiais para Modelos
Características
Materiais para Modelo
Madeira Usinabilidade E Resistência ao Desgaste P Resistência Mecânica R Peso (a) E Possibilidade de Reparos E Resistência à Corrosão (b) E Resistência ao Inchamento(b) P (Legenda: E = Excelente; B = Bom; R = Regular; P = Pobre) (a) Como fator de fadiga do operador (b) pelo ataque de água
Alumínio B B B B P E E
Aço R E E P B P E
Plástico B R B B R E E
Muitos modelos são feitos de dois ou mais materiais diferentes. Por exemplo, em locais de muito desgaste, podemos usar aço sendo o resto do modelo feito de madeira. APOSTILA 1 – Fundição 1 – Processos de Fabricação 1 – Eng. Mecatrônica – Prof. Marcelo J. Simonetti.
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3.2.3. Contração de solidificação Como já sabemos, 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. Damos a seguir o índice percentual de contração sólida de alguns metais, que deve ser compensado com o aumento nas dimensões do modelo: • •
MATERIAL
CONTRAÇÃO
Aços Ferro fundido cinzento Ferro fundido dúctil Alumínio 355 e 356 Alumínio 13 Cobre-Cromo Bronze ao Estanho Bronze ao Silício Bronze ao Manganês Bronze Alumínio
1,5 a 2,0% 0,8% 0,8 a 1,0% 1,5% 1,0% 2,0% 1,0% 1,0% 1,5% 1,5%
3.2.4. Ângulos de saída Ângulo de saída é a tolerância que se dá às paredes laterais do modelo para poder extraí-lo do molde sem arrastar areia. Numericamente o ângulo poderá variar entre 0,5º e 2º e, em alguns casos, como em marcações de machos, poderá chegar a 5º 3.2.5. 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. Entretanto, um macho também pode ser usado para completar uma parte mais delicada de um molde, que não poderia ser produzida com areia comum do molde, por ser esta menos resistente que as empregadas na fabricação de machos. 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.
Macho usado para obtenção de um furo no centro da peça.
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Macho usado para completar o molde, permitindo o uso de modelo monobloco.
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. •
Colapsibilidade e Resistência à quente: A colapsibilidade 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 for colapsível poderá ocorrer o rompimento das peças ou a formação de " trinca à quente”. Entretanto, as paredes do molde e machos devem ter suficiente resistência à quente, 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 •
Tipos de areia para a confecção de moldes
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As areias de sílica são as mais utilizadas nas operações de moldagem. Elas são basicamente de dois tipos: as ligadas naturalmente e as sintéticas. As ligadas naturalmente são compostas basicamente de sílica, argila e água. A sílica (SiO2) tem grãos arredondados de vários tamanhos. Sua permeabilidade diminui quanto mais fino for o grão e quanto mais variados forem os tamanhos de grão.
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. As argilas são silicatos de alumina que funcionam como aglutinante, formando 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. As areias sintéticas são preparadas à base de areia sílica e um aglomerante mineral, a bentonita. 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 •
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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 CO 2 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. Existem mais uma série de tipos de areia para aplicações especiais, que não serão objeto deste curso. •
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Caixa de macho 3.3.3. Preparação das areias de moldagem 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 de ferro 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. 3.3.4. Misturadores de areia São equipamentos utilizados para o preparo das areias de moldagem, através da mistura de todos seus componentes. A seguir, mostramos como exemplo, o misturador do tipo contínuo: Misturador contínuo A areia é introduzida e levada para dentro de uma primeira caçamba, onde é revolvida por um conjunto de facas e misturada através dos mós (rodas) sendo, a seguir, transferida para a segunda caçamba onde é novamente misturada. Essa mistura vai saindo de forma contínua e em altas quantidades. •
3.4. Métodos de moldagem 3.4.1. Manual
A moldagem manual é o método mais lento e mais antigo usado para produzir-se um molde, 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. Para a produção seriada em larga escala utilizam-se as máquinas de moldar.
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3.4.2. Máquinas de moldar - Principais tipos Máquina de moldar por impacto e compressão
Nessa máquina, como podemos observar na figura acima, 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.
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 interna 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.
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3.5.1. Elementos básicos
Bacia de vazamento 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 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 a 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. Cada uma delas tem suas vantagens e desvantagens, como comentado a seguir:
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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.
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.
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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, precisões dimensionais fechadas e melhor acabamento devem ser obtidos através de usinagem. Para tanto devem ser previstos sobremetal e marcações de referência para balizamento da usinagem.
4. Fundição em casca - "Shell Molding" 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 abaixo dá a seqüência esquemática da elaboração de um molde tipo casca.
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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. • •
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4.2. Vantagens e aplicação 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 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 • •
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5.1. Fundição em moldes permanentes alimentados por gravidade (Fundição em Coquilha)
Neste processo o molde metálico é cheio unicamente pela ação da gravidade. Neste caso geralmente a matriz (molde) é aberta e fechada manualmente, sendo passível, entretanto, de mecanização. 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 peça 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 colapsível.
A coquilha pode ser mista, isto é, um molde metálico exterior e macho de areia, ou completa, como a da figura ao lado, em que a parte interior também é moldada por uma macho metálico, que é desmontável a fim de poder ser retirado depois da fundição da peça. Note-se o sistema de construção do macho desmontável, bem como o núcleo ou cunha central que mantém em posição as suas diversas partes.
Coquilha para fundição por gravidade de um pistão de motor, de liga de alumínio.
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Na parte superior representou-se a peça terminada, que corresponde neste caso à base de um medidor de lubrificantes. Na parte inferior representou-se uma das partes laterais da coquilha com a metade do canal de colada, a tampa e os machos, com os quais se obtém os orifícios da peça.
Coquilha para fundição por gravidade
5.2. Fundição sob pressão 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 •
Máquina de ação por êmbolo com câmara de compressão à quente
Estas máquinas são empregadas para obtenção de peças de ligas metálicas, com temperatura de fusão de até cerca de 450ºC (chumbo, estanho, zinco). APOSTILA 1 – Fundição 1 – Processos de Fabricação 1 – Eng. Mecatrônica – Prof. Marcelo J. Simonetti.
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 do 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 de até 1.000 peças por hora, quando inteiramente automáticas, e a pressão sobre o metal varia de 6 a 100 atm. 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. •
Máquina de compressão com câmara a quente, móvel
Essa máquina de fundição a pressão é também denominada de pescoço de cisne. É usada para peças de ligas metálicas com temperaturas e fusão inferior a 650ºC. O rendimento desta máquina varia de 50 a 500 peças por hora. Em A é indicada a operação de carga e em B a fase de injeção através de ar comprimido. A pressão de injeção varia entre 10 e 80 atm. e não é adequada para a fundição das ligas de alumínio, sendo limitado seu emprego às ligas a base de estanho e zinco.
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Máquinas de ação por êmbolo com câmara fria. Usadas para ligas de alta temperatura de fusão, tais como as de cobre, ou para ligas que atacam o ferro como as de alumínio. 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 varia entre 200 e 2000 atm. A produção pode atingir 500 peças por hora.
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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 lançado contra suas paredes. Desta maneira haverá a formação de uma cavidade interior, de forma cilíndrica, sem necessidade do emprego de machos.
6.1. O processo Na fundição centrífuga o eixo de rotação pode estar na posição vertical ou horizontal. Posição Vertical
Com o eixo de rotação vertical, a superfície interior da peça não se torna cilíndrica mas sim cônica. Desta forma a parte inferior da peça será mais espessa que a superior, aumentado à desigualdade com o aumento da altura. Daí este processo só ser usado para peça de pequena altura, ou para a produção de um conjunto de pequenas peças, quando então o problema aparecerá apenas no sistema de alimentação.
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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 Onde: n é a rotação mínima em rpm; R é o raio da peça em cm; γ é o peso específico em g/cm3
Este processo é usado principalmente na APOSTILA 1 – Fundição 1 – Processos de Fabricação 1 – Eng. Mecatrônica – Prof. Marcelo J. Simonetti.
fundição de tubos de ferro e aço fundido.
6.2. Aplicação 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 areia. 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 queimado, antes do vazamento, produzindo a cavidade do molde.
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O Processo
O primeiro passo para obtenção da peça fundida consiste em fazer-se o seu 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, coloca-se o mesmo dentro de um recipiente metálico que é preenchido por uma pasta refratária especial para a confecção deste tipo de molde. O molde é 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. •
Aplicações e Vantagens do Processo
Ideal para peças pequenas (até 5 Kgf) e complexas que exijam ótimo acabamento e precisão dimensional. Consegue-se uma produção relativamente elevada, com um mínimo de investimento em equipamento e ferramental.
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8. Fundição Contínua
O Processo 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, ao mesmo tempo que promove a sua solidificação. O perfil obtido dessa forma avança até uma tesoura de corte, onde é cortado em tamanho apropriado. •
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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.
Bibliografia específica TORRE, Jorge. Manual Prátic o de Fundiç ão e Elementos de Prevenção da Corrosão. São Paulo: Hemus BIDULYA, Pavel. Steel Foundry Practice. Moscow: Peace Publishers.
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