TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO

Prévia do material em texto

<p>Universidade Federal de Sergipe Centro de Ciências Exatas e Tecnologia Núcleo de Engenharia Mecânica FUNDIÇÃO EM AREIA VERDE DA CARCAÇA DA CAIXA DE TRANSMISSÃO DO VEÍCULO BAJA MARCOS ANTONIO ANDRADE DE OLIVEIRA Trabalho de Conclusão de Curso São Cristóvão - SE Setembro de 2014</p><p>Universidade Federal de Sergipe Centro de Ciências Exatas e Tecnologia Núcleo de Engenharia Mecânica FUNDIÇÃO EM AREIA VERDE DA CARCAÇA DA CAIXA DE TRANSMISSÃO DO VEÍCULO BAJA Trabalho de Conclusão do Curso de Engenharia Mecânica, entregue como requisito parcial para obtenção do grau de Engenheiro Trabalho de Conclusão de Curso São Cristóvão - SE Setembro de 2014</p><p>FUNDIÇÃO EM AREIA VERDE DA CARCAÇA DA CAIXA DE TRANSMISSÃO DO VEÍCULO BAJA MARCOS ANTONIO ANDRADE DE OLIVEIRA "Esse documento foi julgado adequado para a obtenção do Título de Engenheiro Mecânico e aprovado em sua forma final pelo colegiado do Curso de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Sergipe." Alessandra Gois Luciano de Azevedo, Dra. Coordenadora do Trabalho de Conclusão de Curso Banca Examinadora: 10,0 Alessandra Gois Luciano de Azevedo, Dra. Orientadora 9,0 Wilson Luciano Souza, Dr. Jaqueline Dias Altidis, 10,0 Dra.</p><p>Aos meus pais, pelo apoio incondicional ao longo de toda minha vida acadêmica.</p><p>Agradecimentos Agradeço em especial ao meu DEUS por permitir um grande progresso em minha vida, também agradeço aos meus pais, irmãos e família por toda a força. Agradeço com grande carinho a Professora Doutora Alessandra Gois Luciano de Azevedo por sua dedicação em me orientar durante todo desenvolvimento do meu relatório de conclusão de curso. Agradeço também pelas correções realizadas pelos professores integrantes da banca, Wilson Luciano e Jaqueline. Cito alguns amigos, Danillo Matheus, João Paulo, Aliandro de Sá, João Bosco, Jucimar, Thiago Simão Dias, Mário e Mainá Vieira, agradecendo pela ajuda em partes fundamentais desse relatório. Agradeço também a todos meus colegas de curso. Agradeço ao amigo Felipe Massao pela ajuda na simulação computacional e ao amigo Paulo Ricardo pela ajuda na elaboração do desenho técnico. Agradeço as Fábricas NARDELLI USINAGEM - SE por doar o espaço de fundição para realização dos experimentos, MACKOA FUNDIÇÕES - SP por doar os elementos químicos usados no projeto, ARENA DOS METAIS - PE por doar os alumínios usado no projeto, e MARCENARIA ELBER PRATA por ajudar na parte de confecção das caixas de moldagem e modelo.</p><p>Resumo Este trabalho consiste no projeto de uma carcaça de caixa de transmissão pelo processo de fabricação fundição em areia verde, a qual será utilizada no sistema de transmissão de um protótipo de um veículo baja da Universidade Federal de Sergipe. O método empregado para realização do projeto foi: adaptação e fabricação do modelo, dimensionamento dos canais de enchimento e massalotes, simulação térmica da peça para otimizar o posicionamento do massalote e fabricação da peça fundida. Foram realizados os cálculos de dimensionamento de massalote juntamente com as simulações térmicas para determinar o correto posicionamento do mesmo. Foram feitos fundições empregando um massalote somente e dois, sendo verificado que a distribuição do segundo modelo apresentou uma melhor resposta as condições desejadas. Essa metodologia permitiu correto dimensionamento e posicionamento do massalote para a obtenção de uma peça de boa qualidade, além da possibilidade de redução do peso da caixa de transmissão, que é uma grande vantagem para o projeto do protótipo baja. Palavra chave: Fundição em Areia Verde; Carcaça da Caixa de Transmissão; Simulação Térmica.</p><p>Lista de Figuras Figura 1 - Ângulo de saída e arredondamento de cantos 9 Figura 2 - Arredondamentos dos ângulos internos. Fonte: Baldam e Vieira (2013) 10 Figura 3 - Recomendação para nervuras. Fonte: Zuppann (2004) 10 Figura 4 - Alternativa em projeto para evitar a concentrações de tensão nos pontos. Fonte: Zuppann (2004) 11 Figura 5 - Secções Recomendadas para mudanças de espessura. Fonte: Zupann (2004) 11 Figura 6 - Massalote direto aberto (A), direto cego (B), lateral aberto (C) e lateral cego (D). Fonte: AUTOR (2013) 14 Figura 7 - Zona de ação de um massalote. Fonte: SENAI (1987) 15 Figura 8 - Valores de dimensões para o pescoço. Fonte: SENAI (1986) 18 Figura 9 - Diagrama de equilíbrio da liga Al-Cu. Fonte: Torre (2005) 23 Figura 10 - Parte inferior da caixa de transmissão. Fonte: AUTOR (2013) 26 Figura 11 - Montagem da caixa de transmissão. Fonte: AUTOR (2013) 27 Figura 12 - Fluxograma das etapas para projeto. 28 Figura 13 - Ângulo de saída em função da altura. Fonte: AUTOR (2013) 31 Figura 14 - Arredondamento de cantos. Fonte: AUTOR (2013) 32 Figura 15 - Representação da construção do filete. Fonte: AUTOR (2013) 33 Figura 16 - Dimensões de umas das nervuras. Fonte: AUTOR (2013) 34 Figura 17 - Mudanças de secções da caixa de transmissão. Fonte: AUTOR (2013) 35 Figura 18 - Caixa com acréscimo de material para compensar a contração durante a fase sólida. Fonte: AUTOR (2013) 36 Figura 19 - Divisões na peça. Fonte: AUTOR (2013) 37 Figura 20 - Divisão da peça (1). Fonte: AUTOR (2013) 37 Figura 21 - Divisão da peça (2). Fonte: AUTOR (2013) 38 Figura 22 - Divisão da peça (3). Fonte: AUTOR (2013) 38 Figura 23 - Direção de solidificação da peça. Fonte: AUTOR (2013) 39 Figura 24 - Dados do modelo para cálculo dos canais de vazamentos e massalotes. Fonte: AUTOR (2013) 39 Figura 25 - Dimensões dos Canais de Vazamentos e Massalote. Fonte: Autor (2013) 43 Figura 26 - Malhas criadas ao redor de toda peça. Fonte: Autor (2013) 45 Figura 27 - Última interação no instante 6s (parte interna da peça). Fonte: Autor (2013) 46 Figura 28 - Etapa de corte e arredondamento. Fonte: Autor (2013) 46 Figura 29 - Posicionamento dos componentes para iniciar a montagem 47 Figura 30 - Cola epóxi nos componentes do modelo. Fonte: Autor (2013) 48 Figura 31 - Aplicação do verniz no modelo. Fonte: Autor (2013) 48 Figura 32 - Pintura do modelo. Fonte: Autor (2013) 48 Figura 33 - Caixa de molde confeccionada. Fonte: Autor (2013) 49 Figura 34 - Peça pronta para o processo de limpeza e usinagem. Fonte: Autor (2013) 50 Figura 35 - Parte interna da carcaça passada. Fonte: AUTOR (2013) 51 Figura 36 - Parte externa da carcaça passada. Fonte: AUTOR (2013) 51 Figura 37 - Parte interna da carcaça. Fonte: AUTOR (2013) 52 Figura 38 - Parte externa da carcaça. Fonte: AUTOR (2013) 52 Figura 39 - Nova peça com os alimentadores e massalotes otimizados. Fonte: Autor (2013) 53</p><p>Lista de Tabelas Tabela 1 - Contração de metais não ferrosos durante o resfriamento. 12 Tabela 2 - Valores da constante K 19 Tabela 3 - Alguns valores do coeficiente global de perdas 20 Tabela 4 - Relações de áreas de canais de enchimento para alumínio 20 Tabela 5 - Classificação do Alumínio 21 Tabela 6 - Composição química de ligas Al-Mg-Si 25 Tabela 7 - Propriedades mecânicas de ligas Al-Mg-Si 25 Tabela 8 - Valores dos módulos para cada divisão da peça. 38 Tabela 9 - Valores de volume e área superficial do modelo 40 Tabela 10 - Resultados do dimensionamento do massalote pelo requisito térmico. 40 Tabela 11 - Resultados da dimensão do massalote pelo sistema Francês. 41 Tabela 12 - Resultados da dimensão do massalote pelo sistema 41 Tabela 13 - Comparações entre as dimensões dos massalotes pelos critérios de 42 Tabela 14 - Resultados das dimensões do pescoço para o massalote. 42 Tabela 15 - Valores da dimensão do canal de alimentação. 43</p><p>SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO 6 1.1 OBJETIVO GERAL: 6 1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 6 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 7 2.1 Projeto de Fundição em areia 7 2.2 Moldagem em areia verde 7 2.3 Projeto de um fundido 8 2.3.1 Adaptação da peça a ser fundida 8 2.3.2 Confecção do modelo em madeira 13 2.3.3 Projeto do sistema de massalotes 13 2.3.4 Consideração do projeto de sistemas de canais de enchimento 18 2.4 As ligas de alumínio para fundição 21 2.4.1 As ligas binárias de alumínio 22 2.4.2 As ligas da série 6xxx 24 2.5 Carcaça da caixa de transmissão 26 3 METODOLOGIA 28 3.1 Desenho técnico adaptado 28 3.2 Projeto do modelo 29 3.3 Projeto do sistema de alimentação 29 3.4 Projeto dos Massalotes 29 3.5 Simulação Computacional 29 Parte experimental 29 3.7 Produto final fabricado 30 4 RESULTADOS 31 4.1 Desenho da peça a ser fundida 31 4.2 Projeto do modelo 35 4.2.1 Direção de solidificação da peça do projeto 36 4.2.2 Considerações e métodos para dimensionamento do Massalote 39 4.2.3 Dimensionamento segundo o requisito térmico (regras dos módulos) 40 4.2.4 Dimensionamento pela regra da contração (sistema francês) 40 4.2.5 Dimensionamento segundo o requisito volumétrico 41 4.2.6 Dimensionamento do pescoço do massalote 42 4.2.7 Dimensionamento do sistema de canais de enchimento para o projeto 42</p><p>4.3 Simulação Computacional 44 4.3.1 Modelagem da peça 44 4.3.2 Condição de contorno 45 4.3.3 Resultados da simulação 45 4.4 Parte experimental do projeto 46 4.4.1 Fabricação do modelo da carcaça da caixa de transmissão 46 4.4.2 Fabricação da carcaça da caixa de transmissão por fundição a verde 49 4.4.3 Comparações de Resultados 50 4.5 Segunda Simulação para melhorar a qualidade de moldagem da peça 53 5 CONCLUSÕES 54 6 REFERÊNCIAS 55</p><p>6 1 INTRODUÇÃO O processo de fundição no mundo da engenharia pode ser considerado mais versátil dentre os de conformação de metais. Isto ocorre devido à ampla diversidade de propriedades metalúrgicas, formatos e dimensões que podem ser proporcionados às peças fundidas (SIEGEL, 1972) podendo, muitas vezes, constituir-se como método mais simples e econômico, ou até mesmo, como o único método tecnicamente viável para a obtenção de determinada forma sólida (KONDIC, 1973). Esse processo é bastante usado em indústria para a fabricação de lingotes, tarugos, carcaças de máquinas, carcaças de bombas, blocos de motores etc. Muitas vezes é usado o processo de fundição para baratear o custo final do projeto. A carcaça da caixa de transmissão do veículo Baja costuma a ser fabricada geralmente pelos processo de conformação mecânica ou usinagem. Mas pelo fato da equipe Serbaja não apresentar recursos econômicos que facilitasse a fabricação pelos processos convencionais, ouve a necessidade de optar pelo processo de fundição com intuito de reduzir o custo. Para isso os alunos do curso de engenharia mecânica da UFS e integrantes da equipe, decidiram utilizar o processo de fundição em areia verde e o alumínio como metal de fundição para fabricação do projeto. Entretanto, algumas peças fundidas apresentam defeitos de fundição típicos, sendo necessário um estudo apropriado do atual projeto para determinar quais as causas e possíveis alterações a serem realizadas para melhorar processo. Desta forma, o atual relatório apresenta um estudo apropriado de como projetar uma carcaça da caixa de transmissão pelo processo de fundição em moldagem a verde seguindo todos os passos desde o desenho do projeto até a fabricação do mesmo, usando conceitos literários e ferramentas de programas software para simular e melhorar o projeto. 1.1 OBJETIVO GERAL: O objetivo desse trabalho é projetar a carcaça da caixa de transmissão do veículo baja usando o processo de fundição em areia verde. 1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Visando uma otimização do projeto serão realizadas as seguintes atividades: Cálculos e dimensionamento do modelo, canais de alimentação e massalote; Simulação do modelo com o posicionamento adequando do massalote; Fabricação do modelo em madeira atendendo aos cálculos determinados; Fundição da carcaça empregando o modelo fabricado.</p><p>7 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 Projeto de Fundição em areia A base de todos os processos de fundição consiste em alimentar o metal líquido, na cavidade de um molde com formato requerido, seguindo-se um resfriamento, a fim de produzir um objeto sólido resultado de solidificação (CAMPOS; Filhos, 1978, p. 129). Os vários processos diferem, principalmente, na maneira de formar o molde. Em alguns casos, como na moldagem em areia, constrói-se um molde para cada peça a ser fundida e, subsequentemente, ele é rompida para realizar a desmoldagem. Segundo Baldam e Vieira (2013), O processo de moldagem em areia consiste em construir o molde em que será vazado o metal líquido. Existem vários métodos de construção do molde: moldagem em areia verde; moldagem em areia seca; moldagem em areia-cimento; moldagem em areia de macho e moldagem em casca (shell moolding). Segundo Torre (2004), a fabricação de uma peça fundida requer, pelo menos, os seguintes setores: De projetos; De confecção e reparação de modelos, caixa de macho e elementos de modelo, ou seja, modelação; De fabricação das peças fundidas, ou seja, a fundição propriamente dita. A fabricação da fundição pode ser dividida nas seguintes áreas: De preparação da areia para moldação; De moldação; De confecção de machos, isto é macharia; De preparação do metal líquido, isto é, areia de fusão; De vazamento dos moldes; De rebarbação e limpeza, isto é, área de acabamento de peça. 2.2 Moldagem em areia verde processo de moldagem a verde é o mais conhecido e empregado na fundição. É utilizado por apresentar fatores econômicos significativos além de permitir uma utilização em metais ferrosos e não ferrosos. Esta moldagem consiste em compactar, manualmente ou empregando máquinas de moldar, uma mistura refratária plástica chamada areia de fundição -, composta essencialmente de areia silicosa, argila e água, sobre o modelo colocado ou montado na caixa de moldar. (BALDAM E VIEIRA, 2013; CHIAVERINI, 1986).</p><p>8 As areias de moldagem deve reunir uma série de propriedades, a fim de que se possam preparar moldes facilmente e obter dos mesmas peças sem defeitos. Algumas dessas propriedades são: refratárias, permeável e plástica. Elas devem ser refratárias porque tem que possuir a capacidade de suportar as temperaturas do metal líquido sem que os moldes se rompam (CHIAVERINI, 1986). Para Torre (2004), a moldagem em areia verde, é empregada na fundição do alumínio, permitindo a utilização de areia com variedades de tamanho de grão, sendo o mais indicado para a fundição de ligas de alumínio um grão médio ou fino, permitindo a evacuação dos óxidos gerada pelo alumínio líquido no interior do molde. 2.3 Projeto de um fundido Com o desenvolvimento tecnológico, as exigências quanto à quantidade e aos custos dos produtos fundidos têm aumentado acentuadamente nos últimos anos. Assim as fundições se deparam com a necessidade de produzir peças fundidas de elevados padrões de qualidade e baixo custo. Para isso é necessário analisar diferentes parâmetros que constituem os projetos de fundição, com o tipo do metal, tipo de molde, alterações no projeto do fundido, grau de acabamento, dentre outros (BALDAM E VIEIRA, 2013). 2.3.1 Adaptação da peça a ser fundida De forma geral ao produzir um fundido, existem variáveis a serem observadas e alterações que devem ser feitas no desenho da peça mecânica, para que ela se adapte à fundição. Algumas das variáveis são: Consideração dos ângulos de saída; Arredondamentos dos cantos; Criação de nervuras; Espessuras mínimas das paredes da peça; Posição da superfície a ser usinada; Variação gradual das diversas secções. (BALDAM E VIEIRA, 2013). 2.3.1.1 Ângulo de Saída Segundo Zuppann (2004), o modelo deverá ser facilmente removido do molde. Para facilitar a remoção, o modelo deve ter algum ângulo, conhecido como ângulo de saída. Quanto menor ou sem ângulo de saída, o modelo tende a despedaçar o molde ao invés de deslizar suavemente. Para Baldam e Vieira (2013), dentre as características mais comuns de uma peça fundida destacam-se os ângulos de saída e arredondamentos de cantos. Os ângulos de saída e os arredondamentos estão sempre presente e facilita a extração do modelo. Algumas regras básicas para o dimensionamento dos ângulos de saída são necessárias:</p><p>9 Paredes altas devem possuir ângulos de saída pequenos para evitar exagero na mudança de forma da peça. Paredes baixas, ao contrário, devem possuir ângulos maiores; As paredes internas, que correspondem a bolos de areia, devem ter ângulos ligeiramente maiores do que os previstos para partes externas, pois os bolos de areia quebram facilmente na extração do modelo; Paredes perpendiculares ao sentido de extração não precisam de inclinação. Deve-se procurar, sempre que possível, um plano de apartação para um modelo, de modo que dispensem as inclinações nas grandes superfícies da peça; A Figura 1 ilustra uma peça com ângulo de saída e Sentido da extração Arredondamentos internos Ângulo de Arredondamentos externos Figura 1 Ângulo de saída e arredondamento de cantos. Fonte: Baldam e Vieira (2013) 2.3.1.2 Arredondamentos de cantos Todos os cantos internos e externos de fundidos devem ser arredondados para facilitar a extração do modelo do molde sem danifica-lo e para minimizar os defeitos comuns de fundição (rechupe em cantos, trincas a quente, concentração de tensões, fragilidade da peça e falha de enchimento do molde). Existem basicamente dois tipos de arredondamentos: o arredondamento dos ângulos internos, e os arredondamentos dos ângulos externos (BALDAM E VIEIRA, 2013). Segundo Baldam e Vieira (2013), para arredondamento dos ângulos internos é usar como raio de concordância um terço da maior espessura entre as duas paredes que compõem o canto, como é ilustrado na Figura 2. Já arredondamento dos ângulos externos deve obedecer a uma relação de 1-1,5 mm de raio.</p><p>10 SEÇÃO A-A Figura 2 - Arredondamentos dos ângulos internos. Fonte: Baldam e Vieira (2013) 2.3.1.3 Criação de nervuras Segundo Zuppann (2004), cita que as nervuras são eficazes para fornecer aumento na rigidez de componentes, com um aumento mínimo do peso. A Figura 3 ilustra as proporções desejáveis para projeto das nervuras. Não Recomendado Ponto Quente - Porosidade T Recomendado 11/2 T 0.8 T 5° Figura 3 - Recomendação para nervuras. Fonte: Zuppann (2004)</p><p>11 Para Zuppann (2004), seções onde há interseção da nervura com as paredes do fundo poderão causar pontos quentes e porosidades. número de nervuras intersectando em um ponto deverá ser minimizado para evitar os efeitos dos pontos quentes. A alternativa mais indicada para reduzir a concentração de tensão em um ponto pela quantidade de nervuras é utilização de um círculo para conectar as nervuras. A Figura 4 mostra exemplos de como pode ser realizado a construção desse Macho Ponto Quente com diâmetro 2/3 T ? T Secção central grande o suficiente para Ruim Aperfeiçoado não precisa de macho Melhor Figura 4 - Alternativa em projeto para evitar a concentrações de tensão nos pontos. Fonte: Zuppann (2004) 2.3.1.4 Espessura de parede e mudança de seções Para Zuppann (2004), mudanças bruscas de seções devem ser evitadas. Normalmente, uma mudança maior que 2:1 relativo à espessura de seções adjacentes deve ser evitado. Se a mudança de seção de 2:1 for inevitável, o projetista tem a alternativa de usar uma forma de cunha entre seções desiguais. A fórmula para calcular o comprimento da cunha é demonstrada na Figura 5. 21 Ruim Bom T Grandes Mudanças de Secções Figura 5 - Secções Recomendadas para mudanças de espessura. Fonte: Zupann (2004)</p><p>12 Segundo Chiaverini (1990), as paredes muitos finas não se enchem bem de metal líquido, por isso deve-se considerar uma espessura mínima de paredes. Em algumas ligas o resfriamento é mais rápido e uma má relação entre a espessura das paredes podem gerar defeitos. 2.3.1.5 Acréscimo de dimensões para sobremetal de usinagem No projeto da peça fundida deve haver um acréscimo de medidas correspondente ao que será Os acréscimos de sobremetal dependem do metal, da espessura da peça e da posição da superfície: superfícies superiores exigem maior sobremetal, uma vez que diversos defeitos tendem a ser posicionar nas cotas superiores do molde. 2.3.1.6 Contração de solidificação no modelo Para Torre (2004), a contração que deve ser compensada durante a fabricação do modelo é a contração no estado sólido, até o metal adquira a temperatura ambiente. Já que as outras contrações no estado líquido e durante a solidificação são compensadas com o projeto dos massalotes. Em destaque em vermelho na Tabela 1 apresenta valores de contração volumétrica para liga de alumínio. Tabela 1 - Contração de metais não ferrosos durante o resfriamento. Liga Ponto de fusão Contração Contração Contração no ou faixa de (metal a durante a estado sólido solidificação C acima solidificação (solidus a da temperatura temperatura do liquidus). ambiente) % % % Cobre 1083 2.1 4,5 93Cu-7AI 1050-1040 4,8 1040-1030 4,6 92Cu-8Sn 1000-825 1,5 80Cu-10Sn-10Pb 926-760 8.2 4,4 85Cu-5Sn-5Zn-5Pb 1010-854 5.6 5.8 80Cu-20Zn 1000-965 6,0 60Cu-40Zn 905-900 5,0 6,8 1440-1430 - 7,1 1230-1180 7,3 8,8 65Cu-20Ni-15Zn - 7,5 Alumínio 660 6.5 5.7 92AI-8Cu 630-546 - 579 - 740-579 - 90AI-10Mg 605-510 7,5 Magnésio 650 1.4 4.4 Zinco 419 - 4.1 Chumbo 327 3.1 Estanho 232 1,5 Bismuto 271 -</p><p>13 Fonte: OURIQUE (1986) 2.3.2 Confecção do modelo em madeira Segundo Baldam e Vieira (2013), a madeira é muito utilizada para confecção dos modelos, porque é barata e fácil de modelar. mogno é um material padrão popular porque ele tem boa resistência mecânica e ao desgaste em comparação a outras madeiras, por exemplo, o pinho. Ainda podem ser citadas como madeiras para confeccionar os modelos: o cedro, marfim, imbuia e Cabreúva. marfim é indicado para modelos que serão fabricados a partir do uso de maquinas como torno, isso porque, possui um bom acabamento superficial, já o uso do marfim e do cedro é quando precisa de uma boa resistência mecânica para aguentar os impactos causados pelos golpes de compactação na confecção do molde (TORRE, 2004). modelo também pode ser confeccionado com auxílio de equipamentos modernos usados pelo centro de usinagem onde são fabricados com maior precisão obedecendo às exigências do mercado referente à maior qualidade, e maior velocidade nas fabricações. Também existe o sistema de prototipagem rápida (RP) ela se baseia na obtenção de modelos físicos tridimensionais. O ponto de partida de todos os métodos de prototipagem rápida é um modelo CAD. Os dados CAD podem ser criados virtualmente ou vir diretamente de sensores 3D (como raios laser ou digitalizadores ópticos) (BALDAM E VIEIRA, 2.3.3 Projeto do sistema de massalotes massalote é uma reserva de metal líquido adjacente à peça. A sua função consiste em garantir a sanidade da peça fundida através da compensação das contrações liquidas e de solidificação pela alimentação. Deve, através de uma alimentação eficiente, atrair para si o rechupe de solidificação. Para tanto, o mesmo deve satisfazer as seguintes condições básicas: Está localizado na parte da peça que solidifica por último; solidificar depois da peça a ser alimentada; compensar a contração da parte da peça a ser alimentada; atuar com pressão máxima durante o tempo de solidificação, empurrando o metal em direção à zona quente da peça; ter peso mínimo relativo ao da peça, sem perder a eficácia, a fim de reduzir o custo. Podem ser classificados como direto ou lateral e como aberto ou cego (BALDAM E VIEIRA, 2013; SOARES, 2000). Os massalotes abertos são os mais utilizados por facilitarem a saída dos gases durante o vazamento, entretanto eles possuem desvantagem quando comparados com os massalotes cegos, isso porque perde calor com facilidade para meio externo possuindo uma taxa de resfriamento mais rápida em relação à da peça. Em contra partida os cegos</p><p>14 impedem as saídas dos gases durante o vazamento do metal, os quais provocam vazios na peça (TORRE, 2004). Para reduzir a perda de calor e manter a superfície do massalote em fase líquida durante um intervalo de tempo maior são utilizados pós de cobertura ou exotérmicos. Ainda existem os massalotes de luva exotérmicas, essas atuam como isolante térmico que aumenta o tempo de solidificação do mesmo (BALDAM E VIEIRA, A Figura 6 apresenta um desenho esquemático dos tipos de massalotes. Massalote direto Massalote direto aberto cego (A) (B) Massalote lateral Massalote lateral aberto cego (D) Figura 6 Massalote direto aberto (A), direto cego (B), lateral aberto (C) e lateral cego (D). Fonte: AUTOR (2013) 2.3.3.1 Determinação da sequência de solidificação das peças fundidas Para descobrir a direção de solidificação da peça de forma manual pode ser realizado pelo o cálculo dos módulos parciais, esse método resume-se em modificar a geometria da peça para forma geométricas simples (retângulos e quadrados), com isso chegará a uma resposta aproximada do volume e área das seções da peça, para serem calculados os módulos das respectivas divisões da peça. Sendo assim, é estabelecida uma ordem crescente dos módulos que determina a direção de solidificação da peça. É nesta parte da peça onde deve ser posicionado os massalotes necessários (SENAI, 1987). Para calcular os módulos de cada segmento da peça usa-se a relação: V S (1) Onde: M: módulo do segmento da peça; V: volume do segmento da peça;</p><p>15 S: área superficial do segmento da peça em contado com o molde; tempo de queda de uma peça é dado pela equação de Chyorinov (1) (SENAI, 1987). (2) Em que: T: tempo de solidificação da parte da peça de interesse; C: constante que depende das condições locais do molde; V: Volume da parte da peça em questão; S: área pelo molde da parte da peça em questão; 2.3.3.2 Posicionamento de massalotes A zona de ação de um massalote deve ser determinada experimentalmente e corresponder ao comprimento da parte sã da peça a partir do perímetro do massalote. Esse comprimento independe do diâmetro de massalote e depende unicamente da espessura da peça e da forma de sua seção quadrada ou retangular (SENAI, 1987). A Figura 7 ilustra o poder de ação de um massalote direto aberto sobre uma placa de metal. Distância Máxima 4.5 T I Y Contribuição Efeito Ponta do massalote Região que solidifica mais rápido Figura 7 Zona de ação de um massalote. Fonte: SENAI (1987) Essa zona de ação é a distância ao longo da peça, na qual o massalote é efetivo. E deve ser levada em consideração, isso porque, quando não se sabe a máxima distância da ação do massalote, este pode ser mal posicionado atuando de forma errada não suprindo a necessidade de contração da peça.</p><p>16 2.3.3.3 Dimensionamento dos massalotes Segundo Baldam e Vieira (2013), Para o cálculo do tamanho do massalote existem três métodos: Regra dos Módulos (ou requisito térmico); Regra da Contração (sistema francês); Requisito Volumétrico. 2.3.3.4 Dimensionamento segundo o requisito térmico (regra dos módulos) Para o cálculo do massalote da região a ser alimentada usa-se a regra dos módulos que deve expressar as seguintes relações (BALDAM E VIEIRA, 2013). MMassalote (3) Em que: K é coeficiente de segurança que depende das condições de funcionamento do massalote. próximo passo é dimensionar o massalote, onde são encontrados o diâmetro e altura do mesmo. Geralmente a geometria mais usual para o massalote é a cilíndrica onde varia a relação entre o diâmetro e altura do mesmo. 2.3.3.5 Dimensionamento pela regra da contração (sistema francês) O massalote deve ter uma quantidade de metal líquido suficiente para compensar a contração que a peça sofrerá durante a solidificação. A regra da contração é expressa pela seguinte relação (SENAI, 1987): (4) Em que: (r) é o coeficiente de contração volumétrica do metal e (k') é o coeficiente que depende das condições de funcionamento do massalote. volume da cavidade (Vc) pode ser calculado por meio da equação: Ps P = = (5) PL PL Onde: é o volume da peça (modelo) sólida e fria, Ps e Pq são as densidades do metal sólido e líquido respectivamente. (P) representa o peso da peça.</p><p>17 2.3.3.6 Dimensionamento segundo o requisito volumétrico volume do massalote deve ser maior ou igual ao volume de metal a ser fornecido para compensação da contração durante a solidificação. Obedecendo a equação: (6) Onde: Vp é o volume da peça a ser alimentada, r é o coeficiente de contração volumétrica e n é o rendimento do massalote. Segundo Fuoco (1987), Os valores do rendimento para ligas de alumínio variam de 14 dimensionamento do massalote depende da geometria escolhida, que convencionalmente é um cilindro, outa técnica levada em consideração é a relação entre a altura e diâmetro do mesmo. 2.3.3.7 Dimensionamento do pescoço do massalote O pescoço tem a função de estabelecer uma ligação entre o massalote e a peça, permitindo fluxo de metal líquido durante a solidificação. Desta forma, o tempo de solidificação do pescoço é um parâmetro essencial para a manutenção da alimentação enquanto houver necessidade. Outra característica que deve ser considerada é a limpeza posterior da peça fundida, o posicionamento do pescoço deve facilitar processo de usinagem da peça (BALDAM ;VIEIRA, 2013). Segundo Fouco (1986), afirma que o pescoço deve apresentar um tempo intermediário entre o da peça e do massalote. MMassalote = 1:1,1:1,2 (7) Segundo a Figura 8, para calcular o pescoço de um massalote de topo de formato cilíndrico, cuja sua altura seja igual ao diâmetro do mesmo, pode-se chegar aos valores de dimensionamento de pescoço mais rápido, apenas obedecendo à substituição:</p><p>18 D D Riser D Casting Riser On maximum of 0.2D Figura 8 - Valores de dimensões para pescoço. Fonte: SENAI (1986) Tendo as relações inscritas na figura pode-se: (8) DMaximo = + 0,2D (9) Sendo a altura máxima e (Dn) o diâmetro máximo do pescoço. 2.3.4 Consideração do projeto de sistemas de canais de enchimento projeto do sistema de canais deve permitir o completo preenchimento da peça fundida em determinada temperatura e intervalo de tempo de forma que seja garantida a sua sanidade (FOUCO, 1987). sistema de canais deve priorizar fatores como: velocidade de enchimento, rendimento metálico e um posicionamento que favoreça a alimentação. Para isso, devem levar em consideração em relação ao dimensionamento dos canais de enchimento, a hidráulica, os elementos e os componentes dos sistemas de canais (BALDAM e VIEIRA, 2013). 2.3.4.1 Dimensionamento do sistema de canais de enchimento Segundo Baldam e Vieira (2013), para dimensionar os canais de enchimento de um molde, precisa determinar o tempo de enchimento da peça. A peça levada em consideração é toda parte que fica no interior do molde, ou seja, os massalotes, os pescoços do mesmo, devem ser levados em consideração. De forma geral o tempo de enchimento varia de acordo com o metal usado. Mas para casos gerais, como exemplo, outras ligas. tempo de enchimento é demonstrado pela expressão (10). t = K1VP (10)</p><p>19 Onde: t é o tempo de enchimento em segundos, P é o peso total da peça com os massalotes no interior do molde em quilogramas e é uma constante adimensional, calculada a partir da fluidez do material. Que para relação da equação (10), obedece aos valores da Tabela 2. Outra formula citada por Fuoco (1987), que determina também a secção do canal de descida é expresso em + (11) t Onde: Vp é o volume da peça, Vm volume do massalote, V é a velocidade de enchimento e t e o tempo de enchimento da equação (10). Tabela 2 - Valores da constante K K1 2,06 para seções menores que 10 mm K2 2,67 para seções entre 10 e 25 mm K3 2,97 para seções maiores que 25 mm Fonte: BALDAM E VIEIRA (2013) Para determinar a velocidade de enchimento ou de queda do canal de descida é aplicada a relação da conservação de energia pelo teorema de Bernoulli. Em pratica todo sistema apresenta perda de energia, decorrente dos choques e arrastos dos líquidos com a parede do molde, mas quando não é levado em consideração essa perda de energia pode-se aplicar o balanço da conservação da energia, isso possibilita calcular em qualquer ponto a velocidade do fluido e consequentemente a vazão, sendo essa constante em todo o sistema pela lei da continuidade. O Teorema de Bernoulli afirma que para um fluido liquido, sem fricção, a soma dessas diversas formas de energia se matem constante para uma dada quantidade de líquido, o que é uma forma particular da lei da conservação da energia. Para quaisquer ponto pode-se aplicar a relação (15). C (12) p.g</p><p>20 Aplicando a equação permite calcular a vazão e a velocidade do fluxo ao longo de sistema de canais. Segundo Baldam e Vieira (2013), para determinar a velocidade de queda durante o canal de descida basta aplicar a relação (16). = (13) Caso o sistema de canais seja considerado um sistema que haja perda de energia, o que é comum na pratica deve-se aplicar a relação (17). (14) Onde: a é o coeficiente global de perdas, g é a aceleração gravitacional e H a altura medida a partir do nível da bacia de vazamento. O coeficiente global de perdas pode ser para sistemas pressurizados ou despressurizados, seus valores são visualizados na Tabela 3. Tabela 3 - Alguns valores do coeficiente global de perdas Coeficiente global de perda. a Sistema pressurizado 0,25-0,50 Sistema despressurizado Fonte: FUOCO (2010) As relações entre as seções de canal de descida, canal de distribuição e de ataques que reduzam a velocidade do fluido durante o preenchimento do molde. É ilustrado na Tabela 4. Tabela 4 - Relações de áreas de canais de enchimento para o alumínio Metal, Relação de área de canal 1:4: 4 1:6: 6 1:2, 2: 2 1:2: 1 1:6: 10 Fonte: FUOCO (1987) Segundo Baldam e Vieira (2013), a dimensão do comprimento de um canal de ataque pode ser dimensionada apenas pela relação da Equação (21), isso quando a peça é alimentada apenas por um ataque, considerada comum. L (15)</p><p>21 Onde: (L) é o comprimento do canal de ataque e é a secção de ataque. 2.4 As ligas de alumínio para fundição O alumínio é um metal branco, brilhante, muito leve de densidade aproximada 2,7 a 20°C que funde a 660°C. Tem boa resistência à ação do ar ao recobrir-se de uma capa de óxido e carbonato de alumínio que protege as peças de uma posterior oxidação. É muito dúctil e maleável, podendo ser laminado, estirado e forjado com grande facilidade. (TORRE, 2004). De acordo com dados da ABAL (Associação Brasileira de Alumínio), o alumínio começou a ser produzido comercialmente há cerca de 150 anos. Sua produção atual supera a soma de todos os outros metais não ferrosos. Suas principais caraterísticas são: Baixa temperatura de fusão; forte tendência à oxidação; baixa densidade; alta condutividade térmica; elevado coeficiente de dilatação. A baixa densidade do alumínio torna-o de grande utilidade em equipamentos voltado para área automotiva, aéreo, naval e indústria mecânica, numa grande variedade de aplicação (CHIAVERINI, 1990). As ligas de alumínio para fundição são classificadas em dois grupos: Em ligas binarias e as complexas. As binárias são formadas com um único elemento de liga adicionado. Que são: alumínio-cobre, alumínio-silício e alumínio-magnésio, que serão descritas em resumo no presente relatório. As complexas são com dois ou mais elementos de ligas, geralmente são: cobre e silício, ou cobre, silício e magnésio ou silício, magnésio ou e magnésio, além do alumínio com metal base (CHIAVERINI, 1990). De acordo o sistema apresentado pela Associação de Alumínio (AA), as ligas são classificadas através de um código de três dígitos seguido por um valor decimal, sendo que o primeiro representa a designação da série da liga, segundo e o terceiro são referentes à sua composição química especifica e valor decimal representada à forma com a qual o material é encontrado. Na Tabela 5 mostra o sistema de classificação da Associação dos Tabela 5 Classificação do Alumínio</p><p>22 Série Elemento (s) de liga Outros elementos de principal (is) liga 1XXX Alumínio puro 2XXX Cu Mg. Li 3XXX Mn Mg 4XXX Si 5XXX Mg 6XXX Mg. Si 7XXX Zn Cu. Zr 8XXX Sn. Cu. Mg 9XXX Reservado para uso futuro Fonte: ABAL (2009) 2.4.1 As ligas binárias de alumínio As ligas de Alumínio com silício são bastantes empregadas no sistema de fundição, apresentam boas propriedades para fundição, excelente resistência à corrosão, alta ductilidade, grande fluidez e quando adicionado outro elemento de liga como cobre ou magnésio podem ser submetidas a tratamentos térmicos aumentando sua resistência mecânica e dureza. Nessa liga quando o silício é usado em teores de até 12 ou 13%, com isso, ganha um aumento na fluidez do alumínio líquido, permitindo um bom escoamento nas cavidades do molde, reduz a porosidade nas peças, reduz a contração durante a solidificação do metal, reduz o coeficiente de expansão térmica e melhora a soldabilidade (TORRE, 2004). Além disso, as ligas com valores inferiores a 11,7% de silício, as chamadas ligas hipoeutéticas, podem sofrer o processo de modificação. A modificação diminui sensivelmente o tamanho de grão trocando-a por outra mais fina e uniforme possibilitando uma estrutura mais fina do metal com grande aumento das características mecânicas, por exemplo, a tenacidade que é aumentada através da modificação da fase rica em Si (TORRE, 2004). Além da modificação as ligas de Al-Si permite a utilização de elementos desgasificadores e fundentes. O tratamento com desgasificantes mais comum a base de gás cloro ou pastilhas de hexacloretano permite a eliminação dos gases que se incorporam à liga, geralmente hidrogênio e o gás carbono, procedentes da combustão, quando presente nas ligas de alumínio produzem com maior intensidade os efeitos de porosidades na peça fabricada. Já os fundentes de descoriação produzem uma capa de escória facilmente fusível, a qual arrasta consigo os óxidos metálicos e demais impurezas separando efetivamente estes elementos prejudiciais o metal fundido (TORRE, 2004). As ligas de alumínio com cobre se destacam por sua boa resistência mecânica, dureza e excelente usinabilidade; suas resistências à corrosão e à oxidação são, contudo,</p><p>23 baixas. Um fator importante dessas ligas é um aumento nas propriedades mecânicas quando são submetidas a tratamento térmico de solubilização seguida de endurecimento por precipitação. princípio do tratamento consiste em promover-se a solução de fases duras e posteriormente precipitá-las (CHIAVERINI, 1986). Além desse, tratamento é permitido o tratamento de recozimento, aplicando quando se deseja diminuir a dureza e aliviar as tensões da peça. (CHIAVERINI, 1986). No diagrama da Figura 9 é observado no um ponto eutético de cristal misto de alumínio em solução solida com o cobre e o composto com uma composição de 33% de cobre e que funde aos 548° C. 700 650 600 550 5,65 33,2 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 AI o 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 % de cobre, em peso Figura 9 Diagrama de equilíbrio da liga Fonte: Torre (2005) Essas ligas quando são adicionados elementos de ligas como: Ni obtém um ganho de resistência mecânica em alta temperatura, o Mg que pode ser adicionado para aumentar a resistência, embora diminua a fundibilidade da liga; e o Si para aumentar a fundibilidade além da redução da contração volumétrica. Dentro as suas aplicações é possível destacar que estas ligas são as que apresentam as melhores resistências mecânicas dentre as ligas de alumínio fundidas, sendo por isso são utilizadas como ligas aeronáuticas dentre as quais estão as ligas AICu4Ti e AICu4TiMg, onde Ti é o elemento responsável pelo refino de grão (BALDAM ; VIEIRA, 2013). As ligas de Alumínio e magnésio são as que apresentam a melhor combinação de características mecânicas e resistência à corrosão (CHIAVERINI 1986), se destacam por serem mais leves que alumínio puro, pode ter suas propriedades mecânicas melhoradas</p><p>24 através de precipitação de Mg2Si, possui excelente usinabilidade, permitido velocidade de corte alta obtendo uma superfície brilhante (TORRE, 2004). No entanto, são de difíceis de fundir devido a forte concentração de escórias e as deficientes características de alimentação. Essas ligas com alto conteúdo de magnésio tendem facilmente a oxidar-se absorvendo hidrogênio também é característica dessa liga produzir um crescimento de grão. Por isso que é necessário realizar a desgasificação para eliminar a presença de gases e depois a purificação da liga para realizar o refinamento do grão. Deve-se empregar 0,4% de hecloretano para desgasificar e 0,2%de fluoborato ou fluotitanato potássio para refinar grão, todos em proporção de peso (TORRE, 2004). 2.4.2 As ligas da série 6xxx As ligas da série 6XXX apresentam o magnésio e o silício como os principais elementos de liga. Nessa série magnésio e o silício combina-se para formar o composto intermetálico Mg2Si, que antes de atingir o equilíbrio no super envelhecimento, é responsável pelo endurecimento dessas ligas. Com a introdução de elevados teores de cobre (da ordem de 0,7 a 1,0 %), acaba enriquecendo estas ligas principalmente no quesito relacionado à dureza. Essa liga é bastante utilizada quanto a respeito de desenvolvimento de projetos relacionados ao ramo automotivo, possui grande precisão no quesito relacionado à maior resistência mecânica e durezas, são bastante indicadas para processo de fabricação por extrusão mais pode ser utilizadas também na fundição. Quanto à utilização da liga no processo de fundição pode ser necessário à introdução de outros elementos de liga (BALDAM 2013; LUCAS, 1982). São utilizadas em uma ampla variedade de aplicações, desde o uso em perfis de arquitetura, como é o caso das ligas mais diluídas e consequentemente de menor resistência mecânica, como a 6063 e a 6060, até as chamadas ligas de aplicação estrutural com maiores teores de elementos de liga e maior dureza, como a 6061 e a 6351, com grande potencial de aplicação na indústria automobilística, alguns exemplos, de aplicação podem ser citados: tambores de freio, corpo de carburadores e compressores, pistões, capas de distribuidores, linhas de combustível, bombas de combustível, buzinas, corpos de válvulas de transmissão, corpos e tampas de bombas de água e outros (CHIAVERINI, 1986). Segundo Chiaverini (1986), os principais elementos de liga usual em ligas destinadas para fabricação de peças de veículos são: silício cobre, magnésio, manganês, níquel, zinco, estanho, chumbo e titânio. Esses elementos são adicionados em proporção ao alumínio base para formação de ligas trabalhadas com propriedade especificas. As Tabelas 6 e 7 mostra a composição dessa liga e as propriedades mecânicas, respectivamente.</p><p>25 Tabela 6 - Composição química de ligas Al-Mg-Si Liga Mg Si Cu Mn Cr 6101 0,6 0,5 - - - 6201 0,8 0,7 - - - 6009 0,6 0,8 0,37 0,5 - 6010 0,8 1,0 0,37 0,5 - 6013 1,0 0,8 0,9 0,6 - 6022 0,58 1,28 0,07 0,08 - 6151 0,6 0,9 - - 0,25 6351 0,6 1,0 - 0,6 - 6951 0,6 0,35 0,28 - - 6053 1,2 0,7 - - 0,25 6061 1,0 0,6 0,2 0,28 0,2 6262 1,0 0,6 0,28 - 0,09 6063 0,7 0,4 - - - 6066 1,3 1,0 0,8 - 6070 0,8 1,3 0,28 0,7 - Fonte: INFOMET (2013) Obs.: Alumínio é o restante (em todas as ligas). A liga 6262 contém também 0,6 % Bi e 0,6 % Pb. Tabela 7 - Propriedades mecânicas de ligas Al-Mg-Si Limite de Limite de Limite de resistência resistência Alongamento Liga Dureza resistência ao em 50 mm à tração Brinell escoamento (%) à fadiga (MPa) (MPa) (MPa) 6101 T6 220 195 15 71 - 6201 T81 330 - 6 - 105 6009 T4 230 125 25 62 - 6010 T4 290 170 24 78 - 6013 T651 406 372 9 132 - 6151 T6 330 295 17 100 85 6351 T6, T651 340 295 13 95 90 6951 T6 270 230 13 82 - 6053 T6 255 220 13 80 90 6063 T6 240 215 12 73 70 6463 T6 240 215 12 74 70 6061 T6 310 275 12 95 95 6262 T9 400 380 10 120 90 6066 T651 395 360 12 120 110 6070 T6 380 350 10 120 95 Fonte: INFOMET (2013)</p><p>26 2.5 Carcaça da caixa de transmissão A caixa tem como objetivo, proteger todos os componentes que ficarão guardados internamente, a fim de evitar o contato com o meio externo, como por exemplo, areia, pedras e outras substâncias. A caixa pode ser fabricada pelos processos de conformação mecânica, por usinagem e por fundição utilizando diversos materiais dependendo de sua finalidade. Neste caso, a caixa foi projetada para ser fabricado em alumínio industrial, que será plotado um modelo da peça em tamanho real, que será usado no processo de fundição em areia verde, depois a peça será usinada em partes especificas. Geralmente nos locais que serão colocados os rolamentos e nos contados onde será colocada a outra parte da caixa. A Figura 10 mostra umas das partes da caixa, sendo a outra parte idêntica, que depois são colocadas uma sobre a outra como é mostrado na Figura 11. Figura 10 - Parte inferior da caixa de transmissão. Fonte: AUTOR (2013)</p><p>27 Figura 11 - Montagem da caixa de transmissão. Fonte: AUTOR (2013) No projeto da caixa, deve ser observado cuidadosamente, se as paredes ficarão próximas aos dentes para não entrarem em contato, se estão totalmente simétricos os furos dos eixos e rolamentos estão corretos e alinhados. A parte externa da caixa poderá ser modificada de acordo com o projeto de fixação do mesmo na estrutura, por este motivo não foram selecionados os parafusos para travá-la a tampa. óleo que pode ser utilizado deverá ser de transmissão veicular, usado em caixas de marcha para carros. Assim lubrificando os rolamentos e engrenagens. Para não ter problemas de vedação, é aconselhável na hora que for inserir a tampa da caixa, colocar silicone para vedar e evitar vazamento de óleo, para não diminuir o nível de</p><p>28 3 METODOLOGIA Desenho técnico adaptado Projeto do modelo Projeto do sistema de alimentação Projeto dos massalotes Simulação computacional Parte experimental Produto final fabricado Figura 12 - Fluxograma das etapas para projeto. Fonte: Autor (2013) 3.1 Desenho técnico adaptado É o primeiro passo, quando não há o desenho especifico da peça, nessa parte pode ser adiantada a recomendação necessária para o projeto de fundição. desenho técnico da peça (caracaça da caixa de transmissão) foi realizado obedecendo aos requisitos de projetos de fundição, vistos na parte do relatório referente à revisão bibliográfica.</p><p>29 Esse desenho tem por objetivo ser encaminhado a um centro de usinagem, ou a um técnico especializados na área, para a confecção do 3.2 Projeto do modelo Para projeto do modelo foram consideradas a adaptação da peça, o acréscimo do metal de usinagem e o acréscimo do metal para compensar a contração de solidificação do metal. Foram empregados os cálculos apresentados no item 2.3.1e as considerações dos itens 2.3.1.5 e 2.3.1.6 do capitulo 2 desse trabalho. 3.3 Projeto do sistema de alimentação O projeto de sistema de alimentação é responsável em alimentar toda a peça durante a vazão do metal líquido. Para essa etapa foi adotado o sistema de alimentação do tipo comum, ou seja, quando canal de distribuição é o próprio de ataque, também foi realizado todo o cálculo analítico que resume em determinar o tempo e a velocidade de enchimento da peça, determinado à área da secção transversal do canal de descida. Por fim, é só usar umas das relações distribuídas na Tabela 4. Que irá determinar a secção transversal do canal de ataque e distribuição do metal líquido. Os cálculos estão apresentados no item 4.2.8 deste relatório. 3.4 Projeto dos Massalotes Parte do projeto responsável pela compensação do metal líquido, também define o tipo, quantidade e posicionamento do massalote. Para realizar essa parte do projeto foi levada toda consideração para o calculo do dimensionamento onde os métodos aplicados são visto no item 2.3.3.3. Depois foi selecionado método que apresentou maiores dimensões no quesito altura e diâmetro do massalote. Os cálculos estão apresentados no item 4.2.6 deste relatório. 3.5 Simulação Computacional Como forma de visualização dos valores calculados foi realizada uma simulação podendo ser visualizada no item 4.3. Essa foi realizada através do programa ANSYS 14.5 com o objetivo de determinar a região que irá se solidificar por último para, dessa forma, determinar exatamente o posicionamento do massalote. 3.6 Parte experimental Para validar o modelo calculado e simulado foi realizado o processo de fundição em areia verde da carcaça da caixa de transmissão do Baja.</p><p>30 3.7 Produto final fabricado Com a fundição realizada o objetivo é obter um protótipo da carcaça do veículo baja, sendo assim, a peça será encaminhada para as etapas de acabamento e tratamento de peças fundidas. Também é realizada a inspeção visual que servirá para detectar defeitos visíveis, resultantes das operações de moldagem, confecção, vazamento e limpeza. A imagem da carcaça é vista na Figura 39 mostrada no item 4.5.</p><p>31 4 RESULTADOS 4.1 Desenho da peça a ser fundida desenho técnico da peça foi realizado no programa Solidworks. Foi levado em consideração à importância dos ângulos de saída, arredondamentos de cantos vivos e criação de nervuras. Todas essas considerações são ilustradas nas Figuras 13, 14, 16 e 17. Depois que o desenho ficou pronto ele foi encaminhado ao responsável pela confecção do modelo em madeira. A Figura 13 ilustra uma seção da peça destacando os ângulos de saída e Nota que para uma altura de 50 mm o ângulo correspondido foi de 1°(um grau). B A-A DETALHE B ESCALA 1 Figura 13 - Ângulo de saída em função da altura. Fonte: AUTOR (2013) A Figura 14 mostra detalhe das paredes, percebe-se que a espessura das paredes são 12,0 mm e 6,0 mm.</p><p>32 6 2 R4 Figura 14 - Arredondamento de cantos. Fonte: AUTOR (2013) Para atender as exigências do projeto, o raio de concordância R, deverá ser um terço da espessura maior entre as paredes. E R = - (16) 3 Onde (E) significa a maior espessura entre as duas paredes que compõem o canto. Neste caso, é 12 mm, aplicando na formula fica: 12 3 = 4 mm Para todos os arredondamentos dos cantos da peça foi utilizada a ferramenta de recursos "filete" do programa SOLIDWORKS. A Figura 15 mostra uma imagem durante o desenho da carcaça, onde é destacada em retângulo vermelho a aplicação do filete (arredondamento dos cantos) entre duas paredes.</p><p>33 varredura Nervura Envolver Padrão Geometria Curvas Corte Assistente Corte por Corte por loft Indinação linear Fazer interseção de refe extrudado de revolução hite Perfuração Corte limite Casca utos Office Figura 15 - Representação da construção do filete. Fonte: AUTOR (2013) Outro fator muito importante foi à necessidade de criar nervuras para reforçar a rigidez do projeto. Para criação das nervuras foi utilizado os dados encontrados na literatura, conforme citado no item 2.3.1.3 do capitulo 2. Sendo assim, a Figura 16 ilustra uma seção da peça com os valores das dimensões (altura, espessura e ângulo) das nervuras já calculadas.</p><p>34 5.58 DETALHE B ESCALA Figura 16 - Dimensões de umas das nervuras. Fonte: AUTOR (2013) Nota-se que a espessura da base da nervura é de 6,98. Sendo assim, a largura dela deve ser 0,8 e a altura de 1,5 do valor da espessura da base. Para às mudanças de secções foi levada em consideração a literatura citada por Zupann no item 2.3.1.4 do capítulo 2. Para atender as exigências do projeto, a dimensão de 20,72 milímetros ilustrada na Figura 17, foi menor ou igual a duas vezes o valor da dimensão de 12,68 milímetros como o previsto na revisão literária.</p><p>35 ES CALA2 Figura 17 Mudanças de secções da caixa de transmissão. Fonte: AUTOR (2013) A espessura da parede do modelo foi definida tomando em relação às espessuras de carcaça de caixa de transmissão já existentes, também foram levadas em consideração as recomendações das espessuras mínimas em relação ao tipo de fundição aplicada. 4.2 Projeto do modelo O projeto do modelo da peça foi levado em consideração à contração do metal durante o estado sólido e o acréscimo do metal sobre as superfícies a serem usinadas. Para o acréscimo da contração de solidificação foi utilizado os dados expostos na Tabela 1 do capítulo 2, onde a contração para ligas de alumínio em geral é de 5,7%. Já para o acréscimo do metal a superfície da peça a ser usinada foi retirada valores da Tabela 3 do anexo (6), onde a recomendação foi de aproximadamente 1,6 mm. O metal utilizado para fabricação da carcaça da caixa de transmissão foi à liga de alumínio 6061 onde sua composição química e propriedade mecânica estão representadas no item 2.4.2 do capítulo 2 desse relatório. Conhecido o valor da contração no estado sólido e o acréscimo do metal a ser usinado das ligas, pode fazer os acréscimos das dimensões para realização do desenho técnico do modelo. Para isso, utilizou a ferramenta de moldagem disponível no programa</p><p>36 SOLIDOWORKS, essa aumenta a dimensão da peça de forma tridimensional como ilustra a Figura 18. Recursos Esboço Avaliar DimXpert Produtos Office + caixa C... Escala1 ? Parâmetros de escala Aplicar escala em relação a: Centroide Escala uniforme X 1.057 Y 1.057 Z 1.057 Adição de 5.7% contração do metal no estado sólido para a liga de aluminio em geral. Figura 18 - Caixa com acréscimo de material para compensar a contração durante a fase sólida. Fonte: AUTOR (2013) Nota que a Figura 18 mostra em destaque (com retângulo vermelho) os valores de 1,057 nos eixos X, Y e Z, onde 1 é o valor real da peça e 0,057 corresponde o valor da contração da liga. Depois desta etapa foi realizada a adição do sobremetal. Enfim, pode-se gerar o desenho técnico final do modelo. 4.2.1 Direção de solidificação da peça do projeto Para descobrir a direção de solidificação da caixa, foi realizado três divisão na mesma conforme mostra a Figura 19. Através dessas divisões foram geradas propriedades de massa para cada peça, para se obtiver volume e área superficial. Com esses valores foram calculados os módulos de cada um e colocados em ordem crescente obedecendo assim o método dos módulos.</p><p>37 Divisão (1) Divisão (2) Divisão (3) Figura 19 - Divisões na peça. Fonte: AUTOR (2013) As Figuras 20, 21 e 22 mostram partes da peça e as propriedades de massa. Propriedades de massa de Modelo Configuração: Valor predeterminado Sistema de coordenadas: valor predeterminado Densidade = 2.70 gramas por centimetro cúbico Asup. = Massa = 850.20 gramas Volume = 314.89 centimetros cúbicos Area de = 746.62 centimetros quadrados Centro de massa: = -0.00 Y = -23.32 Z = 1.52 Figura 20 - Divisão da peça (1). Fonte: AUTOR (2013)</p><p>38 Propriedades de massa de Modelo Configuração: Valor predeterminado Sistema de coordenadas: valor predeterminado Densidade 2.70 gramas por centimetro cúbico Vol. = 386,52 Asup. = 864,221 Massa = 1043.59 gramas Volume = 386.52 centimetros cúbicos de superficie = 864.21 centimetros quadrados Centro de massa: (centimetros) = 0.00 Figura 21 - Divisão da peça (2). Fonte: AUTOR (2013) Propriedades de massa de Modelo Configuração: Valor predeterminado Sistema de coordenadas: -- valor predeterminado Densidade = 2.70 gramas por centimetro cúbico Vol.=318,92 Asup.= Massa = gramas Volume = 318.92 centimetros cúbicos de superficie = 660.46 centimetros quadrados Centro de massa: (centimetros) Figura 22 - Divisão da peça (3). Fonte: AUTOR (2013) Com os resultados dos cálculos dos módulos representados por cada divisão Tabela 8. Tabela 8 Valores dos módulos para cada divisão da peça. Valores do módulo para cada divisão na peça Módulos Cálculos Resultados 314,89 0,422 cm 746,62 386,52 0,447 cm 864,21 318,922 0,483 cm S3 660,46 Fonte: AUTOR (2013). A ordem crescente se deu por: por tanto a direção da solidificação da peça será em direção ao maior módulo entre as divisões. (Figura 23).</p><p>39 Direção da Solidificação da Peça Figura 23 Direção de solidificação da peça. Fonte: AUTOR (2013) 4.2.2 Considerações e métodos para dimensionamento do Massalote Através do desenho em 3D realizado no SOLIDOWORKS, determinou-se a área superficial e o volume total da peça (Figura 24). A partir destes dados pode-se determinar o módulo da peça. Outa consideração foi à contração volumetrica das ligas de alumínio que é de 4,5 a 7,5%, no atual relatório para a liga ABNT-6061 considerou uma contração volumétrica de 6,5%. Propriedades de massa de caixa 5,7% _sobremetal Cópia Cópia Configuração: Valor predeterminado Sistema de coordenadas: predeterminado Densidade = 2.70 gramas por centimetro cúbico vol. 1020,32 Massa = 2754.87 gramas A.sup.2128,84 Volume = 1020.32 cúbicos Area de superficie = 2128.84 quadrados Centro de massa: = -0.00 Z=1.52 Eixos principais de inércia e momentos de inércia principais: (gramas centim Tomado no centro da massa. Ix = Px 87595.94 Iy = (-1.00, -0.00, -0.00) Py = 258954.27 Iz = (-0.00, 0.01, 1.00) Pz 330497.23 Momentos de ( centimetros quadrados ) Obtido no centro de massa e alinhado com o sistema de coordenadas de saída Lxx 258954.27 Lxy -1.62 Lxz 0.11 Lyx -1.62 Lyy 87617.71 Lyz -2299.71 Lzx 0.11 Lzy -2299.71 Lzz 330475.4 Momentos de (gramas centimetros quadrados) Tomados no sistema de coordenadas de saída. Ixx 681188.05 Ixy -0.26 Ixz -0.06 - Figura 24 - Dados do modelo para cálculo dos canais de vazamentos e massalotes. Fonte: AUTOR (2013)</p><p>40 4.2.3 Dimensionamento segundo o requisito térmico (regras dos módulos) Tendo todos os valores de entrada do projeto conforme mostra a Tabela 9. Tabela 9 - Valores de volume e área superficial do modelo PROPRIEDADES DE MASSA Dados da Peça Dados do Modelo Massa 2115,610 gramas 2754,870 gramas Volume 783,560 1020,320 cm³ Área de superfície 1875.237 Fonte: AUTOR (2013) E aplicando a relação (1) e (2) do item 2.3.3.1 do capítulo 2. Foram obtidos os resultados do módulo do modelo e do massalote respectivamente. Depois foi determinada altura o diâmetro do módulo do massalote. A Tabela 10 mostra os resultados obtidos à parte da memória de cálculo está disponível no anexo (1). Tabela 10 - Resultados do dimensionamento do massalote pelo requisito térmico. Resultados Módulo do Modelo 0,479 cm Módulo do Massalote 0,575 cm Altura do Massalote 2,875cm Diâmetro do Massalote 2,875cm Fonte: AUTOR (2013). 4.2.4 Dimensionamento pela regra da contração (sistema francês) Tendo a relação (5) do item 2.3.3.5 do capítulo 2 será usada para calcular o volume da cavidade do molde. Os valores da densidade do alumínio é 2,7 e 2,37 no estado sólido e líquido respectivamente. Feito o cálculo do volume da cavidade o valor será substituído na equação (4) do item 2.3.3.5 obtendo assim o valor do módulo do massalote. Depois foi determinada altura e o diâmetro do massalote. A Tabela 11 resume os resultados obtidos. Os cálculos e as considerações estão disponíveis no anexo (1).</p><p>41 Tabela 11 - Resultados da dimensão do massalote pelo sistema Francês. Resultados Volume da cavidade 1162,390 Volume do Massalote 453,333 Altura do Massalote 8,326 cm Diâmetro do Massalote 8,326 cm Fonte: AUTOR (2013) 4.2.5 Dimensionamento segundo requisito volumétrico Considerando que rendimento do massalote seja de 14% obedecendo aos casos gerais. E os valores respectivos de Vp (volume da peça) e r (Coeficiente de contração volumétrica) de 1020,320 e 6,5% (0,065). O resultado do volume do massalote será dado pela substituição dos valores na relação (6) do item 2.3.3.6 do capítulo 2. Depois foi determinada altura e o diâmetro do massalote. A Tabela 12 resume os resultados obtidos. Os cálculos e as considerações estão disponíveis no anexo (1). Tabela 12 Resultados da dimensão do massalote pelo sistema Francês. Resultados Volume do Massalote 884,277 Altura do Massalote 10,4 cm Diâmetro do Massalote 10,4 cm Fonte: AUTOR (2013) Os cálculos realizados para o dimensionamento do massalote pode ser resumidos e ilustrado pela Tabela 13. Esses valores é uma comparação dos três métodos usados. As maiores dimensões de altura e diâmetro foram obtidas através da regra Requisito volumétricas. Esse que foi usado para alimentar a peça já que a recomendação segundo os literários é usar sempre o de maior dimensão, uma vez que o maior supre a necessidade do menor.</p><p>42 Tabela 13 - Comparações entre as dimensões dos massalotes pelos critérios de cálculos DIMENSÕES DO REQUISITO SISTEMA REQUISITO MASSALOTE (cm) TÉRMICO FRANCÊS VOLUMÉTRICO 8,326 10,4 ALTURA 2.875 10,4 4.2.6 Dimensionamento do pescoço do massalote Existem relações diretas para dimensionar o pescoço do massalote. Os massalotes que possuem a relação de diâmetro igual à altura podem ser calculados aplicando as relações (8) e (9) do item 2.3.3.7. Sendo assim, o resultado da dimensão do pescoço está ilustrado na Tabela 14. Os cálculos e as considerações estão disponíveis no anexo (1). Tabela 14 Resultados das dimensões do pescoço para massalote. Resultados Altura do Pescoço 5,2 cm Diâmetro do Pescoço 7,28 cm Fonte: AUTOR (2013) 4.2.7 Dimensionamento do sistema de canais de enchimento para o projeto Primeiro é determinado o tempo de enchimento de toda a peça pela relação (10) do item 2.3.4 do capítulo 2. O próximo passo será o cálculo da velocidade de descida do metal pelo canal, essa pode ser calculada pelo uso da relação (14) do item 2.3.4.1. Para isso, o valor do coeficiente (a) é de 0,55 e foi retirado da Tabela 3 do capítulo 2 e o valor da altura (H) foi retirado de dados do desenho que tem valor 20,76 cm (Figura 39). Com o valor da velocidade calculado é só substituir na relação (11) para determinar a área da seção do canal de descida. Obtido o valor da área da seção de descida podemos determinar o diâmetro desse canal. Para o cálculo da área da seção de distribuição e ataque dos canais, basta selecionar umas das relações de áreas de canais. A relação escolhida foi 1: 2,2; 2 que esta visível na Tabela 4 do item 2.3.4.1, essa relação é recomendada para ligas de alumínio e um sistema que precisa reduzir a velocidade de enchimento do molde.</p><p>43 Sendo assim, valor da seção do canal de distribuição será de (2,2 x 2,73) e a seção de ataque será de (2 2,73). Enfim, o comprimento da seção de ataque será dado pela substituição do valor da seção de ataque na relação (15) do item 2.3.4.1. A Tabela 15 resume todos os resultados para o dimensionamento do canal de alimentação da peça, a parte de memória de cálculo esta presente no anexo (1). Tabela 15 Valores da dimensão do canal de alimentação. Resultados do dimensionamento do canal de alimentação Tempo de enchimento da peça 7,020 segundos Velocidade de descida do metal 110,944 cm/s Seção do canal de descida 2,730 Diâmetro do canal de descida 1,860 cm Seção do canal de ataque 5,460 Diâmetro do canal de ataque 2,637 cm Comprimento do canal de ataque 4,675 cm Fonte: AUTOR (2013) A Figura 25 mostra o desenho do sistema de alimentação da peça a ser fundido com as dimensões necessárias para a instalação dos canais de descida, ataque e massalote. A presença do funil que serve para auxiliar a descida do metal líquido pelo canal de descida. 10,4 cm 1,865 cm 15,6 cm 20,76 4,675 cm 7,28 cm cm 2,637 cm Figura 25 - Dimensões dos Canais de Vazamentos e Massalote. Fonte: Autor (2013)</p><p>44 4.3 Simulação Computacional A simulação transiente térmica oferece ao projeto valores aproximados dos resultados das faixas de temperatura da peça, para isso, foi feito a criação de um conjunto de elementos finitos, que são as malhas, depois foi aplicada à as condições de contorno. A condição de contorno usada na simulação foi apenas a convecção já que é a predominante durante processo de enchimento do molde. Em muitos casos apenas a condição predominante é a necessário para simular, quando se tem varias condição deve ser simulada em um computador com alta potência para solucionar problema. Outro fator importante foi a não consideração da análise geral do molde e modelo, não foi levado em consideração o molde de areia verde pelo fato de querer analisar apenas a parte mais quente da peça durante a formação do rechupe (vazamento). A metodologia de aplicação para realizar a simulação será vista a seguir: 4.3.1 Modelagem da peça É parte referente à adaptação da peça, significa organizar alguns detalhes como maquete da peça. Algumas vezes quando é importadas peças de CAD para Ansys nem sempre obterá um resultado coerente da simulação, por esse fator que se deve limpar a maquete. O desenho geométrico da peça junto com a criação do sistema de alimentação é importado do software Solidworks para Ansys 14.5. Depois é selecionado o material do modelo, no caso, o alumínio e aplicado ao mesmo. Agora são criadas as malhas por toda peça, quanto menor o tamanho dos elementos de malha, mais potente tem que ser o computador, e a ferramenta do software terá um tempo bem maior para gerar a solução. A Figura 26 ilustra a peça com as malhas.</p><p>45 ANSYS R14.5 0,000 (m) 0,100 Figura 26 - Malhas criadas ao redor de toda peça. Fonte: Autor (2013) 4.3.2 Condição de contorno Essa parte corresponde em adotar as condições necessárias para o programa solucionar o problema. Foram aplicadas as condições de contorno na simetria da peça, sendo iniciada com a temperatura do metal no estado de fusão (700°C). Foi levada em consideração a perda de calor causado pelo fenômeno de convecção, onde valor do coeficiente de transferência convectivo foi de 120 W para a temperatura inicial de 30° C. 4.3.3 Resultados da simulação O resultado da simulação foi compatível com os cálculos e literatura realizada na parte do relatório desse projeto. Como mostra a Figura 27 indica que a temperatura máxima no término da simulação (instante 6s) é localizada no interior do massalote (montate), mostra também que o massalote possui capacidade de suportar a contração volumétrica de toda peça evitando um provável rechupe na mesma. Todo o resultado de todas interações está disponível no anexo (2).</p>