COMPARAÇÃO ENTRE OS MÉTODOS DE FABRICAÇÃO DE UM VIRABREQUIM

Prévia do material em texto

1
 
 
 
 
 
 
COMPARAÇÃO ENTRE OS MÉTODOS DE 
FABRICAÇÃO DE UM VIRABREQUIM: FUNDIÇÃO X 
FORJAMENTO. 
 
 
 
 
Edson Bispo de Oliveira RA:103732 
Emerson de Magalhães RA: 050904 
 
 
 
São José dos Campos – SP 
2011 
 
 
2 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
COMPARAÇÃO ENTRE OS MÉTODOS DE FABRICAÇÃO DE UM 
VIRABREQUIM: FUNDIÇÃO X FORJAMENTO. 
 
 
Projeto apresentado como exigência para 
comparação dos processos de fundição e 
forjamento da disciplina “Processo de 
fabricação 2” do Curso Engenharia 
Mecânica da ETEP Faculdades. 
 
ORIENTADOR: Professor Jose Eduardo 
Salgueiro 
 
 
 
São José dos Campos – SP 
2011 
 
 
 
3 
 
 
 
 
 
 COMPARAÇÃO ENTRE OS MÉTODOS DE FABRICAÇÃO DE UM 
VIRABREQUIM: FUNDIÇÃO X FORJAMENTO. 
 
 
 
Projeto apresentado como exigência para 
estudo dirigido da disciplina “Processo de 
fabricação 2” da ETEP Faculdades, sob a 
orientação do prof. Jose Eduardo Salgueiro. 
 
DATA: 19/ 12 / 2011 
 
RESULTADO: _____________________ 
 
 
BANCA EXAMINADORA 
 
 
Prof. Jose Eduardo Salgueiro ETEP Faculdades 
Assinatura: 
 
________________________________________________________ 
 
Prof. ETEP 
Faculdades 
Assinatura: 
________________________________________________________ 
 
Prof. ETEP 
Faculdades 
Assinatura: 
________________________________________________________ 
 
4 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
DEDICATÓRIA 
 
 
Dedico... 
À minha família... 
Ao meu pai Benjamin e minhas irmãs, que nestes anos de vida sempre estiveram do meu 
lado me apoiando e me dando forças para vencer os obstáculos. 
 A minha esposa Darlene nesta fase da minha vida, me dando apoio e muitas alegrias 
nas horas difíceis e não podendo me esquecer de minha sogra Edna que também teve 
sua parcela de contribuição nesta jornada. 
Aos meus amigos Reinaldo e José Tadeu e todos os outros que de uma forma ou outra 
contribuíram, em todos os momentos para minha formação acadêmica. 
À todos os meus sinceros agradecimentos! 
5 
AGRADECIMENTOS 
 
Agradeço primeiramente a Deus por me conceder mais esta vitória em minha vida. 
Agradeço aos professores e colegas de serviço que contribuiu para desenvolver este 
projeto, em especial à professora Lea Nogueira B. M. Nishioka por esta cursando a 
disciplina de Matérias de Engenharia no mesmo trimestre de Processo de Fabricação e 
pela disponibilidade em acompanhar no esboço e por nos orientar no desenvolvimento 
dos materiais; ao professor Washington Luiz dos Santos Junior por acompanhar este 
projeto e também ao professor, Jose Eduardo Salgueiro, que fez a revisão deste projeto. 
 
 
6 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
EPÍGRAFE 
 
O mundo está se movendo tão rápido atualmente 
que o homem que diz que algo não pode ser feito 
é geralmente interrompido por alguém já fazendo. 
Harry Emerson Fosdick 
7 
RESUMO 
 
 
Virabrequim é na realidade uma peça que pode ser construída através do forjamento ou 
fundição e depois usinada, ou seja, um eixo com seções defasadas em relação ao centro 
são nessas seções de eixo defasadas que são montadas as bielas que por sua vez são o 
elo de ligação, entre os pistões ou êmbolos que por sua vez estão montados dentro dos 
cilindros, essas seções de eixo defasadas serão tantas quanto o números de cilindros no 
caso de motores em linha, se os motores forem em "v" duas bielas se conectarão a 
mesma seção, o eixo virabrequim tem a função de transformar o movimento alternativo 
de sobe e desce dos pistões em movimento de rotação, que é imprescindível para o 
funcionamento de qualquer maquina seja um gerador, uma bomba ou um automóvel. Os 
virabrequins dos motores modernos podem ser de dois tipos principais diferenciados 
pelos populares nomes de fundidos e forjados, não é raro a confusão entre as peças, 
visto que para alto desempenho, nos interessa os forjados, que são mais resistentes. Não 
é raro as fábricas utilizar virabrequins forjados em modelos de linha esportivos e como 
normalmente eles são totalmente intercambiáveis com os fundidos menos resistentes, 
torna-se uma escolha óbvia a troca desse componente tão exigido nos motores 
preparados. Para identificar corretamente os virabrequins forjados do fundidos, basta 
identificar pequenos detalhes no corpo da peça. Mas como saber se um virabrequim é o 
forjado ou fundido, sem ter em mãos o manual de serviço o código da peça. Para 
identificar, temos que saber como são fabricados os dois tipos. 
Palavras-chaves: Virabrequim; fundidos; forjados. 
8 
ABSTRACT 
 
 
Crankshaft is actually a piece that can be constructed by forging or casting and then 
machined, ie, a shaft sections lagged relative to the center axis of these sections are 
fitted with the lagged rods which in turn are the link connection between the piston or 
pistons which in turn are mounted within the cylinder axis lagged those sections will be 
as many as the number of cylinders in the case of in-line engines, if engines are "v" will 
connect two rods the same section, the crankshaft has the function to transform the 
reciprocating motion up and down motion of pistons into rotation, which is essential to 
the operation of any machine is a generator, a pump or a car. The crankshafts of modern 
engines are of two main types differentiated by popular names of cast and forged, it is 
not uncommon to confuse parts, whereas for high-performance, forged in the matter, 
which are more resistant. It is not uncommon for plants to use forged crankshafts in 
models of online sports and how often they are completely interchangeable with the less 
resistant fused, it becomes an obvious choice of the exchange component as required in 
the engines prepared. To correctly identify the forged crankshafts cast, enough to 
identify small details in the body of the piece. But how to tell if the crankshaft is a 
forged or cast, without having in hand the service manual the part number. To identify, 
we must know how the two types are manufactured. 
Keywords: crankshaft, cast, forged. 
9 
SUMÁRIO 
 
 
1 INTRODUÇÃO..................................................................................................12 
1.1 OBJETIVOS.......................................................................................................12 
1.2 CONCEPÇÃO DO PRODUTO........................................................................13 
1.3 PROPRIEDADES MECÂNICAS....................................................................14 
1.4 DESENHO TECNICO VIRABREQUIM .......................................................16 
1.5 USINAGEM DE VIRABREQUIM..................................................................17 
1.6 ACABAMENTO SUPERFICIAL....................................................................19 
1.7 TEMPERA POR INDUÇÃO............................................................................20 
1.8 DEFEITOS DOVIRABREQUIM FORJADO E FUNDIDO.........................21 
1.9 CUSTO FINAL..................................................................................................22 
1.10 CONCLUSÃO....................................................................................................23 
1.11 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.............................................................25 
10 
LISTA DE FIGURAS 
 
 
FIGURAS 1-VIRABREQUIM FUNDIDO................................................................13 
FIGURA 2-VIRABREQUIM FORJADO...................................................................14FIGURA 3-DEMONSTRAÇÃO GRAFICA...............................................................15 
FIGURA 4-DEMONSTRAÇÃO GRAFICA...............................................................15 
FIGURA 5-DESENHO VIRABREQUIM...................................................................16 
FIGURA 6-DESENHO VIRABREQUIM...................................................................16 
FIGURA 7-FRESAMENTO DE VIRABREQUIM....................................................17 
FIGURA 8-DISCO DE FRESA....................................................................................17 
FIGURA 9- USINAGEM VIRABREQUIM EM MAQUINA CNC.........................18 
FIGURA 10- USINAGEM VIRABREQUIM EM MAQUINA CNC.......................18 
FIGURA 11-ACABAMENTO SUPERFICIAL .......................................................19 
FIGURA 12-VIRABREQUIM COM TRATAMENTO............................................20 
FIGURA 13-VIRABREQUIM FINALIZADO...........................................................22 
11 
LISTA DE TABELAS 
 
TABELA 1- DEFEITOS VIRABREQUINS FORJADOS E FUNDIDO.................21
12 
INTRODUÇÃO 
 
Os virabrequins são feitos de aço forjado ou fundidos. Em termos qualitativos, 
as cargas em um virabrequim resultam em tensões devido à flexão, torção e 
cisalhamento em todo seu comprimento. A geometria complexa envolvida tornaria 
impossíveis cálculos precisos de tensão ainda que as cargas fossem conhecidas com 
precisão. A linha de eixo é o conjunto de munhões nos quais gira o virabrequim apoiado 
no bloco do motor. Os moentes são as partes do virabrequim onde se apóiam as bielas, 
no começo da indústria automobilística brasileira, lá pelos anos 60, os eixos dos 
modelos da VW (fusquinha) eram de aço forjado, enquanto os demais fabricantes 
(Willys, Ford, GM) já usavam virabrequim em aço fundido. Quanto à resistência o aço 
forjado é mais resistente e se deforma menos quando submetido a grandes esforços, e 
exatamente por isso é que motores de alto desempenho têm virabrequim em aço forjado, 
A maioria dos componentes de aço tem seu início como fundido: o metal passa por 
fusão, vazamento em um molde e solidificação. No caso do processo de Fundição, 
devido ao fato do molde ter a forma próxima à forma final da peça, o que resta a fazer 
são algumas operações de acabamento. No caso dos Forjados a primeira forma é um 
lingote. Lingotes normalmente são de grandes dimensões com seções retangulares e 
bastante pesadas. Estes lingotes, ou placas ou tarugos são forjados no perfil e depois 
exige muita usinagem requerida até sua configuração final. 
1.1 OBJETIVOS 
 Avaliar e pesquisar virabrequins forjados e fundidos para analise de que 
contribua para qualidade do produto, O virabrequim é um dos componentes de grande 
importância num motor automotivo, cuja função é a transformação do movimento linear 
alternado dos pistões em movimento rotativo. Este componente apresenta geometria 
complexa, tornando necessário, para a sua fabricação, o emprego de vários processos, 
desde furação até a aplicação de processos especiais como torno-brochamento e 
fresamento periférico externo circunferências excêntrico de mergulho. 
13 
1.2 CONCEPÇÃO DO PRODUTO 
Fundidos: 
Os virabrequins fundidos, quando se funde o "blank" que será posteriormente usinado 
usa-se um molde que pode ser de areia de fundição ou outro material refratário. Esse 
molde é composto de duas peças que se encaixam perfeitamente, tendo internamente o 
volume e o formato da peça que depois será usinada. Esse molde possui uma entrada 
por onde entrará o material líquido que após se solidificar, é aberto para a retirada da 
peça no caso de ser um material refratário ou mesmo quebrado, se o molde for de areia 
de fundição, para que o blank seja retirado. Normalmente esses moldes são compostos 
de duas metades iguais, encaixando-se perfeitamente uma na outra, obviamente para 
que não haja fuga de metal líquido, o que deixa na peça uma linha característica da 
junção das duas metades do molde. Essa linha percorre todo o comprimento da peça e é 
facilmente identificável, mesmo depois da peça usinada. Normalmente, os colos das 
bielas recebem um tratamento térmico por indução, chamada têmpera, para um 
endurecimento do material nessa área e ganhar resistência ao desgaste, durante o 
funcionamento do motor. 
 
 
Figura 1: Virabrequim Fundido 
 
14 
Forjados: 
Os virabrequins forjados são feitos normalmente em aço de melhor qualidade que os 
fundidos e imediatamente após serem retirados do molde de fundição, ainda 
incandescentes, são submetidos a uma prensa de centenas de toneladas que possui um 
molde em aço com o formato do blank, mas que não chegam a fechar completamente, 
faltando alguns milímetros para que cada metade se encontre, no momento em que o 
blank ainda vermelho em brasa recebe a prensagem, ele é compactado pela força da 
prensa, agrupando suas moléculas e deixando o material mais denso e resistente 
mecanicamente. Essa força de prensagem é tão grande, que o material tende a "vazar" 
pra fora do molde, pelo espaço que sobra entre as duas metades criando um "nervo" 
muito característico e facilmente reconhecido na peça depois de pronta. 
Como o processo, material e usinagem é mais cara e demorada, essas peças forjadas são 
aplicadas somente em modelos mais refinados ou esportivos das montadoras 
 
 
Figura 2: Virabrequim Forjado 
 
1.3 PROPRIEDADES MECANICAS 
As principais propriedades mecânicas são: Resistência, Ductilidade e Dureza. 
Para virabrequins fundidos é relativamente fácil. Se o componente é feito de uma liga 
padrão, as características estão informadas na especificação padrão. Se for feito de 
alguma outra liga os testes padronizados de tração fornecerá os valores. Estes valores 
15 
serão referentes à direção a qual foi realizado o teste e às medidas tomadas neste sentido 
direcionadas pelo processo de deformação. Entretanto a Tensão Limite de Resistência o 
Alongamento Percentual e a Resistência ao Impacto diminuem na direção transversal ao 
eixo forjamento. Os forjados são anisotrópicos, isto é, apresentam diferentes valores de 
propriedades para diferentes direções. No caso de ligas equivalentes, a ductilidade e a 
resistência ao impacto do aço fundido ficam entre os valores longitudinais e transversais 
apresentados pelo forjado. No fundido o metal é isotrópico, apresentando propriedades 
similares em todas as direções. 
A figura 3 a seguir apresenta a demonstração gráfica da relação entre as propriedades 
mecânicas de um aço forjado e o ângulo de inclinação do corpo de prova tomado para 
teste. A figura 4 também a seguir ilustra a influência da taxa de redução de forjamento 
na anisotropia de um aço forjado com 0,35% C. Para efeito de comparação as 
propriedades de um aço fundido com 0,35% C estão mostradas em (*). 
Com respeito às propriedades, nos forjados, a maior parte das referências provém de 
características longitudinais, para se obter características transversais é necessária uma 
requisição específica. 
 
 
Figura 3: demonstração gráfica Figura 4: demonstração gráfica 
16 
1.4 DESENHO TECNICO VIRABREQUIM 
O virabrequim é um dos componentes de grande importância num motor automotivo, 
cuja função é a transformação do movimento linear alternado dos pistões em 
movimento rotativo. Este componente apresenta geometria complexa, tornando 
necessário, para a sua fabricação, o emprego de vários processos, desde furação até a 
aplicação de processos especiais como fresamento periférico externo circunferência 
excêntrico de mergulho e retificação. 
 
 
 
Figura 5:desenho virabrequim 
 
Figura 6: desenho virabrequim 
1.5 USINAGEMDO VERABREQ
O fresamento externo, aplicado na usinagem dos munhões do virabrequim, torna
operação complexa por se tratar de uma usinagem fora de centro, onde o centro de giro 
do virabrequim não coincide com o centro de giro de usinagem, que neste caso é o 
centro do munhão. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 7: Fresamento de virabrequim
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
USINAGEM DO VERABREQUIM 
O fresamento externo, aplicado na usinagem dos munhões do virabrequim, torna
operação complexa por se tratar de uma usinagem fora de centro, onde o centro de giro 
do virabrequim não coincide com o centro de giro de usinagem, que neste caso é o 
igura 7: Fresamento de virabrequim 
Figura 8: Disco de fresa 
17 
O fresamento externo, aplicado na usinagem dos munhões do virabrequim, torna-se uma 
operação complexa por se tratar de uma usinagem fora de centro, onde o centro de giro 
do virabrequim não coincide com o centro de giro de usinagem, que neste caso é o 
18 
Usinagem do virabrequim CNC 
 
 
 
Figura 9: Usinagem virabrequim em maquina CNC 
 
 
 
Figura 10: Usinagem virabrequim em maquina CNC 
 
19 
1.6 ACABAMENTO SUPERFICIAL 
No processo de forjamento tende a reduzir a porosidade e as descontinuidades 
superficiais, podendo também eliminar cavidades internas. A porosidade superficial e as 
descontinuidades que venham a aparecer os fundidos, quando for aplicável, podem ser 
reparadas por soldagem. O custo desta operação é usualmente menor que o custo 
adicional de usinagem tipicamente requerido para um forjado. 
 
 
 
 
Figura 11: Acabamento Superficial 
 
20 
1.7 TEMPERA POR INDUÇÃO 
Os virabrequins através da têmpera por indução e por chama consegue-se um efeito 
similar ao do tratamento de cementação e têmpera, quando se compara a dureza, 
resistência ao desgaste e condições de tensões residuais. Entretanto pode-se restringir o 
tratamento a áreas específicas das peças, as distorções são consideravelmente menores e 
é possível tratar peças de grande porte.Objetivo principal da têmpera superficial é o 
aumento da resistência à fadiga. Para isto pode-se utilizar três métodos distintos: 
têmpera progressiva, rotativa e estacionaria. 
A dureza superficial e a profundidade de têmpera são funções do material utilizado e de 
sua respectiva temperabilidade. Para que as distorções sejam minimizadas deve-se 
tomar alguns cuidados com o projeto e com o tratamento térmico preliminar das peças. 
 
 
 
Figura 12: Virabrequim com Tratamento 
 
21 
1.8 DEFEITOS DE VIRABREQUIM FORJADOS E FUNDIDO 
O Defeito é uma falha no componente típica de processo, mas não inevitável. Como 
podemos ver na tabela abaixo tanto forjados como fundidos são vulneráveis a tipos 
particulares de defeitos. A correta fabricação de fundidos ou forjados pode eliminar a 
maioria deles. Defeitos freqüentes em Forjados e Fundidos 
 
 
Defeito Descrição Problema 
Segregação Distribuição não uniforme de 
elementos no metal 
Dureza heterogênea 
Absorção de H2 Aparecimento de trincas Fragilização 
Inclusões Partículas não-metálicas no 
metal 
Atuam como concentradores 
de tensão, dificultam a 
usinagem. 
Defeitos de Forjados 
Defeito Descrição Problema 
Brusts Trincas internas decorrentes 
de operação de forjamento 
inadequada 
Quebra 
Granulação Grosseira Superaquecimento, dimensão 
inadequada do lingote, projeto 
de ferramental inadequado 
Suscetibilidade à fadiga, 
perda de propriedades 
dependendo da direção do 
esforço 
Dobras Caldeamento deficiente das 
superfícies gerando 
descontinuidade 
Aparecimento de 
concentradores de tensões 
podendo ocasionar trincas 
Trincas Descontinuidade 
interna/externa com diversas 
possibilidades de origem 
Quebra 
Defeitos de Fundidos 
Defeito Descrição Problema 
Descontinuidade 
superficial 
Abertura superficial 
decorrente de projeto ou 
moldes inadequados 
Iniciação de trincas 
Inclusão de Areia Preparação inadequada do 
molde 
Usinagem dificultada, 
iniciação de trincas 
Porosidade Inadequação de moldagem de 
macharia ou de fusão 
Aparência inadequada, perda 
de resistência 
Trinca a Quente Projeto inadequado, molde 
e/ou macho muito rígidos 
Iniciação de trincas 
Rechupes Projeto inadequado de 
fundição 
Quebra 
Junta Fria Metal com Fluidez deficiente Perda de Resistência 
 
Tabela 1 
 
22 
1.9 CUSTO FINAL 
O custo final do virabrequim inclui seu custo de compra mais o custo de realização de 
todas as operações adicionais necessárias. Antes de operações de montagens, por 
exemplo, é quase sempre necessário usinar a peça. Este custo pode ser considerável. 
Quando se trata de peças simples tanto o fundido quanto o forjado, requerem a mesma 
quantidade de usinagem, mas quando as peças são mais complexas os fundidos tendem 
a requerer menos usinagem que os forjados. 
 
 
Figura 13: Finalizado 
23 
 
 
1.10 CONCLUSÃO 
Os virabrequins fundidos não podem obter os efeitos fortalecidos de trabalhos a quente 
e frio, já os forjados superam os fundidos em propriedades de resistência previsíveis - 
produzindo resistência superior que é assegurada, peça a peça. Forjados são de mais 
confiança e menos dispendiosos. Defeitos de fundição ocorrem de várias formas. Em 
função do trabalho a quente refinar o tamanho de grão e criar alta resistência, 
ductilidade e propriedades de resistência, os produtos forjados são mais confiáveis. E 
eles são fabricados sem os custos adicionais para controle mais rigoroso do processo e 
inspeção que são requeridos na fundição. Forjados oferecem melhor resposta ao 
tratamento térmico. Fundidos requerem controle mais preciso dos processos de 
derretimento e resfriamento porque pode ocorrer segregação da liga. Este resultados de 
reposta não-uniforme ao tratamento térmico pode provocar deformações de peças 
acabadas. Forjados respondem de forma mais previsível no tratamento térmico e oferece 
melhor estabilidade dimensional. Produção flexível e de custo reduzido, os forjados se 
adaptam à demanda. Alguns fundidos, tal como fundidos de performance especial, 
requerem materiais caros e controle de processo e tempos de entrega mais longos. 
Matriz aberta e laminação de anéis são exemplos de processos de forjamento que 
adaptam a várias tamanhos de corridas de produção e possibilitam tempos de entrega 
mais curtos. 
24 
 
O motor de explosão, ou motor de combustão interna, é amplamente usado para 
movimentar automóveis, ônibus, caminhões, etc. 
Nos motores a álcool ou gasolina a produção do movimento começa pela queima de 
combustível nas câmaras de combustão. Essas câmaras contém um cilindro, duas 
válvulas (uma de admissão e outra de escape) e uma vela de ignição. O pistão que se 
move no interior do cilindro é acoplado a biela que se articula com o virabrequim. O 
virabrequim ao girar faz com que o movimento chegue as rodas através do sistema de 
transmissão do carro 
 
Edson Bispo de Oliveira 
Instrutor de aprendizagem 
CREA: Nº 5063084306/TD 
25 
 
 
1.11 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 
Pesquisa realizada em 18/12/2011 
 
http://www.hotcampinas.com/nuke/modules.php?name=Forums&file=viewtopic&t=46
931 
 
http://www.vipecasintercomercial.com.br/3-MOTORES-VANGUARD/sect10.pdf 
 
http://www.damec.ct.utfpr.edu.br/motores/downloads/BCapitulo%20I.pdf 
 
http://www.marro.com.br/v2/bal_engineering.html 
 
http://www.virabrequimromao.com.br/ 
 
http://mauricio-cadcam.blogspot.com/