Fundição sob Pressão - UDESC · Seqüência de Trabalho em um Máquina de Câmara Fria: • Fechamento do Molde. • Introdução do metal na câmara de pressão. • Injeção

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Aula 14 : Processos de Fundição Sob Pressão

01: Introdução

Princípio, classificação e potencialidades do processo.

02. Fundição sob pressão em cãmara quente

03. Fundição sob pressão em cãmara fria

04. Parâmetros de Processo

05. Processo de fundição sob pressão à vácuo

06. Processos a Baixa Pressão

Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran Dr. Eng. Metalúrgica

Fundição sob Pressão

Princípio do Processo

Processo que utiliza um molde metálico estacionário ( MATRIZ) no qual o metal líquido é introduzido usando altas pressões.

Classificação dos Processos

Classificados em função do tipo de

equipamento utilizado

Câmara Quente

Câmara Fria

Processos Fundição Sob Pressão Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran

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Placa Móvel

Ejetores

Ataque

Placa Fixa

Matriz

Pistão

Peça

Câmara de Injeção


Potencialidades do Processo

O processo permite obter:

• Peças com seções muito finas ( <0,2mm).

• Reprodução de detalhes finos.

• Elevada precisão dimensional

• Excelente acabamento superficial

Peças Complexas

Peças “NET SHAPE”

• Altas Produtividades.

• Adequado para automação.


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Fundição Sob Pressão em Câmara Quente

Pistão

BocalPescoço

de ganso Cilindro

hidráulico

Forno

Semi-molde ejetor

Semi-molde fixo

• O sistema de injeção encontra-se mergulhado no metal líquido e o arranjo permite o enchimento do molde em curto tempo com baixa perda de temperatura do metal.

• Utilizado para ligas com baixos pontos de fusão:

Mg – Zn – Sn - Pb

• Peças de até 23Kg

• Ligas de Al em dispositivos sem êmbolo à base de ar comprimido.

Características Gerais


Principais componentes de uma Máquina de Fundição S ob Pressão em Câmara Quente

Acumulador

PistãoPlacas

MatrizPescoço de Ganso

Bico

Sistema de Fechamento


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Sistema de canais no processo de Fundição Sob Press ão em Câmara Quente


Sistemas de Injeção do Tipo Câmara Quente

• à base de êmbolo.• por imersão à base de ar comprimido.

• à base de ar comprimido com válvula submergida.

• para ligas de Mg.

Parâmetros de Processamento:

• Pressão de Injeção = 50 a 130 Kg/cm2.

• A quantidade de metal varia de acordo com o tamanho do colo de cisne (pescoço de ganso).

• Produtividade = 50 a 500 tiros/hora.

• Máquina Especiais de Alta Produção = 2000 a 5000 tiros/h.

Fundição Sob Pressão em Câmara Quente


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Materiais Utilizados no Equipamento:

• COLO DE CISNEFerro Fundido Cinzento ou Nodular - Aço

• A escolha do material depende do tipo de metal, da pressão de operação e do custo.

• CAMISA e BICOAço H13 – Aço Ligado Nitretado ou Aço Inox

• Peças sujeitas ao calor, atrito e pressão mecânica.• Uma camisa pode durar até 2000h de trabalho.

• PISTÃO Ferro Fundido Cinzento


Seqüência Operacional:

Fechamento do Molde

Fixação da Tubulação de Injeção

Injeção

Retrocesso do Êmbolo

Separação do Bico de

Injeção

Abertura do Molde

Extração dos Machos

Extração das Peças


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Fundição Sob Pressão em Câmara Fria

• O sistema de injeção não fica mergulhado no metal líquido.

• Cada vez mais utilizado em função das exigências crescentes quanto a qualidade das peças injetadas.

• Utilizado para ligas com maiores pontos de fusão:

Cu – Al - Mg – Zn

Características Gerais


Principais componentes de uma Máquina de Fundição S ob Pressão em Câmara Fria

Acumulador

Pistão

Placas Sistema de Fechamento

Matriz

Câmara de Injeção


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Sistema de canais no processo de Fundição Sob Press ão em Câmara Fria


Esquema mostrando os elementos da cavidade de uma matriz para Fundição Sob Pressão em Câmara Fria (sistema de canais de

enchimento, bolsões e saídas da ar, cavidade da peça

Cavidade (peça)

0verflow – Bolsão de Ar

Vents – Saídas de Ar

Canais de Enchimento


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Sistema de Alimentação da Máquina com Metal Líquido :

• Manual com uma colher.

• Por forno basculante e canal de alimentação.

• Mediante um cadinho hermeticamente fechado e no qual atua uma pressão pneumática sobre o banho.

• Por meio de uma bomba eletromagnética.

• Por um braço mecânico (ou robô) com um dosador.

Sistema de Injeção:

• Produtividade: 2 a 5 injeções/minuto.

• Acionamento do pistão por pressão de óleo ou água.

• Pressão de injeção na faixa de 560 a 3000 kg//cm2.

• Velocidade de injeção na faixa de 0,1 a 7,0 m/s.


Classificação das Máquinas de Acordo com os Princíp ios Construtivos

Máquina de Câmara Fria Horizontal

Máquina de Câmara Fria Vertical

Deslocamento do Embolo de pressão para cima.

Deslocamento do Embolo de pressão para baixo.


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Seqüência de Trabalho em um Máquina de Câmara Fria:

• Fechamento do Molde.

• Introdução do metal na câmara de pressão.

• Injeção do metal.

• Abertura do molde.

• Extração dos machos

• Expulsão ou extração da peça fundida.

• Retrocesso do êmbolo de pressão.


Preenchimento da câmara com concha manual

Cavidade do molde

Pistão

Câmara de injeção

Injeção do alumínio para a cavidade do molde.

Extração do produto

Ciclo do Processo de Fundição sob Pressão em Máquina de Câmara Fria Horizontal


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Ciclo do Processo de Fundição sob Pressão em Máquina de Câmara Fria Vertical

Pistão de injeção

Alumínio líquido

Pinosextratores

Injeção

Contra pistão

Preenchimento da cavidade do molde

Ejeção do material residual ( massalote ).

Tiro do produto

Extração do produto

Varões extratores


Parâmetros de Processamento:

Ligas de Alumínio

• Temperatura da Matriz ≅ 2500C

• Vida Útil da Matriz de 100.000 a 150.000 ciclos.

Produção: Exemplos

• Conjuntos de até 5,0 Kg • 30 a 60 ciclos/h em Máquina Automática

• Conjuntos de até 1,2 Kg • 40 a 120 ciclos/h em Máquina Semi-automática.


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Parâmetros de Injeção:

Estágios da Injeção

A injeção pode ser separada em três estágios distintos:

Primeiro estágio : o pistão avança com velocidade lenta

Segundo estágio: na qual metal preenche a cavidade do molde.

Terceiro estágio: é a fase de compactação do metal na cavidade, chamada de Recalque.



Velocidade de Injeção

a) Velocidade de Primeira Fase de Injeção

É a velocidade de aproximação do pistão. É controlada por uma válvula controladora de fluxo. Nesta fase de Injeção, o pistão avança lentamente não permitindo que o metal líquido sofra qualquer turbulênciaevitando que bolhas de gases e ar venham a ser aprisionadas e injetadas para dentro da cavidade do molde

b) Velocidade de Segunda Fase de Injeção

É a velocidade com que o metal líquido preenche a cavidade do molde. É função da espessura e complexidade do produto a ser injetado.

Peças com paredes finas Peças muito complexas

Maiores velocidades de injeção para compensar a rápida troca de calor entre a superfície do molde e o metal líquido


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Parâmetros de Injeção: Estágios

• Primeiro estágio : o pistão avança com velocidade lenta para expulsão do ar e gases da câmara de injeção.

1a Fase2a Fase

A primeira fase termina quando todo Volume Hidráulico da câmara está ocupada pelo metal líquido e pode ser calculado para facilitar na definição dos paramentos de Injeção.


Segundo estágio: no qual metal preenche a cavidade do molde .

É o curso restante do pistão. Preenche a cavidade do molde com maior velocidade imediatamente após o término da primeira fase de Injeção.

O curso de Injeção é calculado sempre a partir da posição inicial do pistão que deve facear o orifício de alimentação da câmara .

É importante que o pistão tenha sempre o mesmo comprimento pois sua variação provocará variações no comportamento do alumínio durante o preenchimento da cavidade.

Pistão menor que o

padronizado

A segunda fase iniciará antes que todo o alumínio ocupe o volume hidráulico da câmara

INJEÇÃO DE ARjunto com o alumínio para dentro da cavidade do molde.

Pistão maior que o

padronizado

Penetração antecipada o alumínio para dentro da cavidade antes do inicio da segunda fase

Peças com JUNTAS FRIAS.


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Segundo estágio: Influência do comprimento do pistão sobre o regime de injeção e os prováveis defeitos.

Normal

Avançado

Recuado

2a fase 1a fase

Pistão maior que o padronizadoJuntas Frias

Pistão menor que o padronizadoPorosidades

Uma vez definida a câmara de injeção para um molde, em umadeterminada máquina, o diâmetro do pistão e comprimento da hasteautomaticamente são definidos e a partir destas definições é que sãodeterminadas os parâmetros das máquinas.


É o responsável pela compactação final do material injetado imediatamente após a segunda fase de Injeção, compensando a contração de solidificação do alumínio, diminuindo a ocorrência de porosidades

Terceiro estágio: Recalque.

É utilizada em peças de paredes grossas e que sejam alimentadas por canais generosos para permitir a transmissão de pressão sem que solidifique antes o alumínio dentro da cavidade

Determina:

• Força de Injeção da Máquina.

• Pressão Específica Final de Injeção

• Responsável pela sanidade(estanqueidade) da peça, uma vez que durante a solidificação o metal contrai, necessitando assim de uma massa adicional que será transferida por pressão ainda no estado semi-sólido (pastoso).


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Força de Injeção É obtida através da pressão hidráulica da rede oumultiplicada da Injetora, dividida pela área doêmbolo de injeção.

Pressão Específica de Injeção

Resultante da Força de Injeção da Máquina dividido pela Área do Pistão de injeção. Ou seja, é a força aplicada a cada cm2 de metal injetado.

A pressão específica (Pe) podeser regulada na máquina,dependendo do tipo de peça, estevalor pode ser estipulado peloprojetista.

Peças standard 200 – 400 kgf/cm2

Peças técnicas 400 – 600 kgf/cm2

Peças estanques 600 – 1000 kgf/cm2



Força de Fechamento

Os diversos tipos de máquinas injetoras que são produzidas,geralmente são identificadas pela capacidade da Força deFechamento.

- Máquina de 630 T = a capacidade desta manter as placas fechadase travadas até 630.000 kgf de Injeção, que é determinada pelaPressão Específica ( Pe ) multiplicada pela área projetada do molde.

Exemplo:


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Primeiro Estágio

Processo de Fundição sob Pressão a Vácuo

• O vácuo é aplicado no banho fundido que está no forno.

• O metal fundido é aspirado para a câmara de injeção da máquina, com o objetivo de obter um grau de enchimento de 30 a 40 %

Aspiração do metal fundido do forno para a câmara de injeção.



Segundo Estágio

•. Desta forma o metal fundido é pressionado contra o canal de ataque da matriz, o que ocorre sob baixas velocidades que variam de 0.2 a 0.5 m/s.

• O pistão avança e efetua a vedação do tubo de aspiração do metal no forno.

Transporte do metal fundido do forno para o canal de ataque.


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Terceiro Estágio

Preenchimento da Matriz

• As válvulas de vácuo fecham e o metal fundido é injetado a alta velocidade na cavidade da matriz

• Corresponde a segunda fase do processo de fundição sob pressão convencional

• Velocidades típicas do metal fundido entre 2 e 5m/s para tempos de enchimento de 30 a 70 ms.


• Após o preenchimento completo da matriz efetua-se a pós-compressão em que o metal fundido é submetido a alta pressão até a sua solidificação completa.


Quarto Estágio

Compressão Final


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Controle da Injeção

• Através deste processo é possível obter o registro e a análise de um conjunto de até 40 parâmetros para o tipo de processo de fundição individual;

• Para se obter peças fundidas com qualidade homogênea, todas as máquinas são equipadas com um sistema próprio de controle de injeção desenvolvido na empresa para a visualização dos parâmetros do processo.


Processos de Fundição a Baixa Pressão

Baixa Pressão Aspiração à Vácuo


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O processo de injeção sob pressão é regido por uma série de parâmetros, que adequadamente determinados e ajustados, resultam em uma peça injetada de qualida de.

Na injeção sob pressão, o defeito mais comum nas peças obtidas é a porosidade interna.

Porosidade Interna .

Ar aprisionado no metal líquido

Contração na Solidificação


Formação de defeitos em peças fundidas sob pressão

Principais Defeitos em Peças Injetadas

Solda Fria

Porosidades

• Combinação dos dois efeitos

• Contração do metal

• Gases aprisionados no metal

• Baixa Velocidade na Segunda Fase

• Baixa Temperatura do Metal


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Influência dos Parâmetros de Injeção na Formação de Defeito s

• Velocidade lenta de injeção

Velocidades muito altas do pistão⇓

Formação de uma onda⇓

Aprisionamento e mistura do ar no alumínio liquido

[BREVICK, DURAN, KARNI, 1991][GARBER, 1982][ SHEPAK, 1963 ]

Velocidades muito baixas do pistão ⇓ Aprisionamento de ar pela onda



• Velocidade rápida de injeção

Velocidade da fase responsável pelo

preenchimento da peça. ⇓

Tempo de Enchimento da Peça e Velocidade no Canal

de Ataque.

Velocidades muito baixas⇓

Falhas de preenchimento e solda fria

Velocidades muito altas⇓

Porosidades

[KARBAN, 2001 ] [SYRCOS, 2002]


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• Pressão de Recalque

Pressão responsável pela compactação da

peça durante a solidificação do

metal.

A densidade da peça aumenta com a intensificação da pressão.

[GARBER & DRAPER, 1979]

O aumento da pressão é inversamente proporcional ao

percentual de porosidade.

[KAYE & STREET, 1982 ]


Simulação Aplicada ao Processo de Injeção

A simulação do preenchimento de cavidades em processos de fundição sob pressão é uma área de pes quisa muito atrativa devido ao elevado interesse industri al

Os programas mais conhecidos:

Diferenças Finitas

AFS, CASTech, FLOW-3D, NovaFlow, MAGMASOFT, MAVIS

ElementosFinitos

ProCAST, WRAFTS, THERCAST, Vulcan, WinCast

Volumes Finitos

PAM-CAST, ViewCast


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REBELLO, M. A. ; Dissertação de Mestrado Comparação entre a Simulação Via CAE-CAM e os Resultados Experimentais na Fundição Sob Pressão de Ligas de Alumínio. PGCEM - 2000.

Projeto de Pesquisa : Comparação entre a Simulação Via Software e os Resultados Experimentais na Fundição Sob Pressão de Ligas de Alumínio 1999-2001

Prof. Guilherme Verran – Coordenador

Marco Antônio Rebello – Mestrando

Carlos Gomes de Oliveira – Bolsista PIBIC_CNPq_Udesc

Pesquisas Realizadas no Labfun – Grupo de Pesquisa em Fundição e Metalurgia


Enchimento de 70% da Peça

V = 3,15 m/sV = 1,75 m/s

Temperatura da frente menor que T liquidus

Ocorrência de Solda Fria nas Peças

VERRAN, G. O. ; REBELLO, M. A. ; OLIVEIRA, C. G. . Comparação entre a Simulação Via Software e os Resultados Experimentais naFundição Sob Pressão de Ligas de Alumínio. FUNDIÇÃO & SERVIÇOS , SÃO PAULO, v. 11, n. 105, p. 24-31, 2001.


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Para baixas velocidades a

frente de enchimento apresenta

temperaturas menores que

Tliquidus a partir de 40% do

enchimento

Variação da temperatura da frente de enchimento para

diferentes velocidades de injeção

VERRAN, G. O. ; OLIVEIRA, C. G. ; REBELLO, M. A. . Influência da Velocidade de Enchimento sobre a Formação de Defeitos em Peças de Alumínio: Simulação Numérica Vs. Resultados Experimentais. In: 14 CBECIMAT- CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 2000, SÃO PEDRO. ANAIS DO 14 CBECIMAT, 2000. p. 42201-42210.

Detalhe da peca injetada com V = 1,05 m/s, mostrando a ocorrência de Solda Fria

Variação do tempo de enchimento em função da

velocidade de injeção.

VERRAN, G. O. ; OLIVEIRA, C. G. ; REBELLO, M. A. . Influência da Velocidade de Enchimento sobre a Formação de Defeitos em Peças de Alumínio: Simulação Numérica Vs. Resultados Experimentais. In: 14 CBECIMAT- CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 2000, SÃO PEDRO. ANAIS DO 14 CBECIMAT, 2000. p. 42201-42210.


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Pesquisas Realizadas no Labfun – Grupo de Pesquisa em Fundição e Metalurgia

MENDES, R.P. K. - Dissertação de Mestrado. PGCEM – 2005.

Projeto de Pesquisa : INFLUÊNCIA DOS PARAMETROS DE PROCESSO NA FORMAÇÃO DE DEFEITOS EM FUNDIÇÃO SOB PRESSÃO

Prof. Guilherme Verran – Coordenador

Rui Patrick Konrad Mendes – Mestrando

Marco Aurélio Rossi – Bolsista PIBIC_CNPq_Udesc


Tampa para motor de compressor duplo cilindro

VERRAN, G. O.; MENDES, R. P. K. ; ROSSI, M. A. . Influence of Injection Parameters on Defects Formation in Die Casting Al12si1,3cu Alloy: Experimental Results and Numeric Simulation (Online publication DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2006.03.089). Journal of Materials Processing Technology , Ireland, v. 179, n. 2, p. 190-195, 2006. Die Casting.


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Testados três parâmetros de injeção:

- Velocidade da 1º Fase em 3 níveis- Velocidade da 2º Fase em 2 níveis

- Pressão de recalque em 3 níveis

DOE (Design of Experiments)

Experimento:

- 18 combinações de parâmetros- 5 tiros para cada combinação- Total de 90 amostra analisadas

VERRAN, G. O. ; MENDES, R. P. K. ; VALENTINA, L. V. D. Doe Applied to Optimization of Aluminum Alloy Die Casting. Journal of Materials Processing Technology , v. 200, p. 120-125, 2008

VERRAN, G. O. ; MENDES, R. P. K. . Aplicação de DOE na melhoria da qualidade de fundidos sob pressão. FS. Fundição & Serviços , v. 18, p. 64-74, 2008.


VERRAN, G. O. ; MENDES, R. P. K. ; VALENTINA, L. V. D. Doe Applied to Optimization of Aluminum Alloy Die Casting. Journal of Materials Processing Technology , v. 200, p. 120-125, 2008

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Critérios para Avaliação da Qualidade das Peças Obt idas

Critério 1: Índice Visual de Porosidades

Pessoal do C.Q. da Empresa

Critério 2: Densidade da Região Crítica da Peça

Princípio de Arquimedes

Critério 3: Índice Quantitativo de Porosidades (% em área)

Software de Análise de Imagens - SCION



Simulações

Pior Combinação de Parametros

Melhor Combinação de Parâmetros

Porosidades ⇓

Pressão do Ar Retido na Cavidade ao Final do Enchimento

Solda Fria ⇓

Velocidade na Segunda Fase da Injeção



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A simulação do tempo de enchimento mostrou o encontro

de duas frentes metálicas indicando o aprisionamento de

ar nesta região

VERRAN, G. O. ; MENDES, R. P. K. . Simulação Numérica e Doe Aplicados na Melhoria do Processo de Fundição Sob Pressão de Ligas de Alumínio. Estudos Tecnológicos (Online), Brasil, v. 2, n. 1, p. 13-25, 2006.



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Velocidade da 2º fase = 1,3 m/sSOLDA FRIA



Velocidade da 2º fase = 2,6 m/sPreenchimento total e ausência de Solda Fria

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