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0 | P á g i n a PROCESSOS MECÂNICOS DE FABRICAÇÃO PROCESSO DE FUNDIÇÃO Alunos: Augusto Ricardo – RA: 14002000 Cid Junior – RA: 16000201 Eduarda Batista – RA: 16001460 Guilherme Rocha – RA: 15002917 Renata Oshiro – RA: 15001835 Taiane Alves – RA: 14006141 1 | P á g i n a Sumário 1 - O processo de fundição ............................................................................................................ 2 1.1 – Resumo ............................................................................................................................. 2 1.2 – Terminologias ................................................................................................................... 3 2 - Características dos fundidos ..................................................................................................... 4 2.1 – Aplicabilidade .................................................................................................................... 4 2.1.1 – Brasil no cenário mundial dos fundidos ..................................................................... 4 2.1.2 – Aplicação fundidos no Brasil ...................................................................................... 5 2.2 – Características da peça fundida ........................................................................................ 6 2.3 – Geometria ......................................................................................................................... 7 2 – O Processo ............................................................................................................................... 8 3.1 – Principais tipos de processo ............................................................................................ 10 3.1.1 – Areia verde ............................................................................................................... 10 3.1.2 – Em casca (shell molding) .......................................................................................... 10 3.1.3 – Cera perdida (fundição de precisão) ........................................................................ 11 3.1.4 – Molde permanente .................................................................................................. 12 3.1.5 – Injeção ..................................................................................................................... 12 3.1.6 – Comparação entre os processos .............................................................................. 13 3.2 – Materiais ......................................................................................................................... 14 3.3 – Máquinas ........................................................................................................................ 14 3.3.1 – Forno a arco elétrico ................................................................................................ 14 3.3.2 – Forno a gás ou óleo .................................................................................................. 15 3.3.3 – Forno cubilô ............................................................................................................. 15 3.4 – Ferramentais ................................................................................................................... 16 3.5 – Custos ............................................................................................................................. 16 3.6 – Tempo de Fabricação ...................................................................................................... 17 3 – Vantagens e Desvantagens .................................................................................................... 18 4.1 – Vantagens ....................................................................................................................... 18 4.2 – Desvantagens .................................................................................................................. 19 4 – Bibliografia ............................................................................................................................. 20 2 | P á g i n a 1 - O processo de fundição 1.1 – Resumo A fundição é o processo pelo qual os metais ou ligas metálicas em estado líquido são postos em um molde para a fabricação de diversos tipos de peças, carcaças de máquinas, lingotes e outros. Em muitos casos, a fundição é o processo mais simples e econômico de se produzir uma peça, principalmente quando esta é de grande porte, de geometria complexa ou com canais internos e cavidades. Imagem 1 – Processo de fundição. A fundição pode dar origem a peças acabadas, já em seu formato final, ou não. Nesse caso, elas podem passar por processos de conformação mecânica (por exemplo, forja), ajustes dimensionais, soldagem ou usinagem (para peças que serão usinadas é comum deixar um sobremetal). Mas, de modo geral, as peças fundidas passam por processos de acabamento como corte de canais, usinagem e rebarbação. Quando necessário, as peças também podem passar por tratamento térmico para conferir maior resistência já que as peças fundidas apresentam menor resistência mecânica do que as peças produzidas por processos de conformação. Imagem 2 – Peças fundidas. 3 | P á g i n a 1.2 – Terminologias ABNT/CB-059 - Comitê Brasileiro da Fundição ABNT/CB-059 – FUNDIÇÃO GESTOR: Antônio Diogo F. Pinto Secretaria Técnica: ABIFA – Associação Brasileira de Fundição Chefe de Secretaria: Weber Bull Gutierres Secretária: Yasmin Miranda Ding Av. Paulista, 1274 – 20° andar 01310-925 – São Paulo - SP Fone: (11) 3549-3369 Fax.: (11) 3549-3355 Mailto: cb-059@abnt.org.br ÂMBITO DE ATUAÇÃO: Normalização no campo da fundição compreendendo fundição de ferro, de aço e de não ferrosos, insumos, matéria-prima, resíduos no que concerne à terminologia, requisitos, métodos de ensaio e generalidades. ABNT NBR 8583:1984 (Peças em ferro fundido cinzento classificados conforme a dureza brinell – Especificação) Normas Necessárias para a aplicação da ABNT NBR 8583:1984 (Peças em ferro fundido cinzento classificados conforme a dureza brinell – Especificação): ABNT NBR 5426:1985 Versão Corrigida:1989 ABNT NBR 5427:1985 Versão Corrigida:1989 ABNT NBR 5428:1985 Versão Corrigida:1989 ABNT NBR 5429:1985 Versão Corrigida:1998 ABNT NBR 6212:1958 ABNT NBR 6216:1969 ABNT NBR 6394:1980 ABNT NBR 6442:1980 4 | P á g i n a 2 - Características dos fundidos 2.1 – Aplicabilidade O desenvolvimento de um produto tem diversas etapas, onde cada uma delas é estruturada para que seja possível haver um melhor produto dentro do escopo/ orçamento sempre visando o maior lucro possível. Visto isso, a forma como o projeto vai ser manufaturado é de grande importância, já que impacta diretamente nos custos. Existem diversos fatores que fazem com que o processo de fundição seja escolhido para o produto, sendo alguns deles: Geometria, esforços, quantidade a ser produzida, tamanho, material, entre outros. O fundido é largamente utilizado no ramo automotivo, pelo fato de muitas peças terem geometria mais complexas e serem sempre produzidas em larga escala e que, caso fossem feitas de outra maneira representariam prejuízo para as fabricantes, montadoras e distribuidoras. Outros ramos que demandam bastante das peças fundidas são: Siderúrgico, bens de capital, exportação e infraestrutura. Imagem 3 – Exemplificação de peças fundidas. 2.1.1 – Brasilno cenário mundial dos fundidos No cenário mundial o Brasil é o 7º produtor de fundidos (base 2014), superando países como: Coreia, Itália e França, por exemplo. As condições naturais do Brasil mostram todo um potencial para se tornar um dos maiores produtores mundiais. Na tabela ao lado é apresentado o “ranking” dos países produtores de fundidos. 5 | P á g i n a 2.1.2 – Aplicação fundidos no Brasil A produção do Setor mostra crescimento contínuo na primeira década, apenas com uma baixa no ano de 2009 devido a uma crise internacional, o mesmo acontece com 2011, onde após isso o crescimento continua se elevando, como mostra o Gráfico abaixo. Gráfico 1 – Produção De sua produção, 58,0% destinam-se à indústria automotiva, abastecendo fabricantes de componentes automotores, autopeças e às próprias montadoras de automóveis, caminhões, ônibus e tratores. O segmento automotivo dá mostras do potencial do mercado brasileiro com os investimentos realizados e a presença em nosso País de montadoras da Europa, Ásia e EUA. O Brasil possui a 8ª frota mundial de veículos, cerca de 34,7 milhões de veículos e o 7º maior produtor. Gráfico 2 – Porcentagem de uso dos fundidos no Brasil. 6 | P á g i n a 2.2 – Características da peça fundida As principais características das peças fundidas são: Geometria complexa; As peças fundidas podem apresentar formas externas e internas desde as mais simples até as bem complicadas, com formatos impossíveis de serem obtidos por outros processos. Imagem 3 – Peça fundida com geometria complexa. Diversos tipos de tamanho; As peças fundidas podem apresentar dimensões limitadas somente pelas restrições das instalações onde são produzidas. Isso quer dizer que é possível produzir peças de poucos gramas de peso e com espessura de parede de apenas alguns milímetros ou pesando muitas toneladas. Imagem 4 – Diferenças de tamanho das peças fundidas Propriedades mecânicas; A peça produzida por fundição tem geralmente as propriedades mecânicas inferiores as peças conformadas/ produzidas por outros processos mecânicos, isso devido ao fato de o material sofrer alterações nas suas propriedades no processo. Imagem 5 – metal liquido sendo inserido no molde. 7 | P á g i n a 2.3 – Geometria Devido ao processo de fabricação de peças fundidas utilizar moldes, é possível conseguir diversos tipos de geometrias que não seriam possíveis com outros processos de fabricação, devido à restrição de ferramentas entre outros problemas encontrados. Geometrias essas, mais complexas, com bastante curvaturas, linhas de sistemas e sem emendas. Imagem 6 – Peça fundida em seu molde. É possível alcançar com a fundição peças com raios mínimos e com espessuras também reduzidas e controladas. As peças fundidas podem ser produzidas dentro de padrões variados de acabamento (mais liso ou mais áspero) e tolerância dimensional entre ± 0,2 mm e ± 6 mm) em função do processo de fundição usado. Imagem 7 – Exemplificação de diversos tipos de tubos e conexões fundidos. 8 | P á g i n a 2 – O Processo O processo de fundição consiste em diversas etapas, podendo haver mudanças entre elas de acordo com o método utilizado para confecção da peça. Estas etapas são: Desenho/ Projeto da peça; O Projeto/ desenho da peça é a etapa onde todas as informações de estudo das necessidades para aplicação são agrupadas e se transformam em um modelo 2D ou 3D. Definição de parâmetros de fusão; De acordo com as necessidades do projeto, são então definidos os parâmetros de fusão do material a ser utilizado para o vazamento no molde. Confecção do molde; Após a definição do parâmetro de fusão e desenho já elaborado, é necessário estudar qual o tipo de molde é o ideal para o projeto. Vazamento no molde; Com o molde pronto, o material vai passar pelo processo de fusão e então será escorrido para o interior do molde. 9 | P á g i n a Resfriamento/ desmoldagem; Depois do material dentro do molde, o mesmo passa pelo processo de resfriamento/ solidificação, para depois passar pelo processo de desmoldagem. Limpeza e rebarbação; Quando o material é desmoldado, dependendo do tipo de molde e do material que foi utilizado no processo, é necessário que seja feita uma limpeza na peça, ou seja, tirar suas rebarbas e cantos vivos. Controle de qualidade; É importante que após todas as etapas até então seja feito o controle de qualidade, para garantir que todas as características da peça estejam de acordo com o projeto. Este controle é importante para validar não só a peça como também o processo. Liberação para outros processos/ cliente; Muitas vezes, mesmo após sair do molde, passar pela limpeza e controle de qualidade, a peça não está em sua condição final, onde pode ser que seja necessário passar para outros processos para inserir por exemplo furos, roscas, algum tratamento superficial, entre outros. Então a peça é liberada para esses outros processos, ou, caso esteja em sua condição final, pode ser entregue ao cliente. 10 | P á g i n a 3.1 – Principais tipos de processo 3.1.1 – Areia verde Existem muitos processos de fundição com molde de areia (aglomerada com cimento; com resinas de cura a frio; com resinas de cura a quente; com silicato de sódio, etc.), mas o mais conhecido e empregado é a fundição em areia verde. Imagem 8 – Esquematização fundição com molde de areia. É chamado de areia verde porque a mistura mantém sua umidade original, ou seja, o molde formado pela mistura não passa por processo de secagem. A composição do agregado granular refratário (molde) é feita por areia-base que pode ser sílica (SiO2), cromita ou zirconita, mais argila (como aglomerante) e água. Os moldes são preparados compactando a mistura de areia numa caixa sobre um modelo com formato da peça a ser fundida. Tal processo pode ser mecanizável, sendo realizado por máquinas automáticas. Preparado o molde, o metal é vazado e as peças são desmoldadas durante rápidos ciclos de produção. Após a utilização, praticamente toda a areia (98%) pode ser reutilizada. 3.1.2 – Em casca (shell molding) As desvantagens do processo em areia verde levaram os engenheiros a desenvolverem novos tipos de molde. E o uso das resinas foi um grande aperfeiçoamento na utilização de areia para a produção de moldes de fundição. A areia não precisa mais ser compactada porque o aglomerante, que é como uma espécie de cola, tem a função de manter juntos os grãos de areia. A cura (secagem) pode ser a quente ou a frio. A cura a frio é mais caro e utiliza substâncias ácidas e corrosivas como catalisadores da reação química, que exigem muito cuidado na manipulação porque são tóxicas. Por estas desvantagens é pouco utilizado. 11 | P á g i n a A cura a quente é chamada de “shell molding” (moldagem em casca). As resinas empregadas são normalmente do tipo poliéster, uréia formaldeído oufenolformaldeído. A resina constitui-se de 3 a 10% do molde, sendo o restante. Constituído de areia-base, que deve ser isenta de argila ou impurezas e ser fina. Quanto mais fina a areia, maior será a permeabilidade da casca. Imagem 9 – Vazamento em molde de casca. 3.1.3 – Cera perdida (fundição de precisão) Também chamada de fundição de precisão, produz peças com peso máximo de 5 kg, formato complexo, melhor acabamento superficial, tolerâncias menores e geralmente sem macho. São produzidas ligas de alumínio, de níquel, de magnésio, de cobre, de cobre-berílio,de bronze-silício, latão ao silício, ligas resistentes ao calor, além do aço comum e inoxidável. Este processo é bastante eficaz na produção de peças pequenas e aparentemente inviáveis por outros processos (pelo formato complexo e custo). Os modelos para a confecção dos moldes são produzidos em cera a partir do vazamento de cera líquida em uma matriz formada por uma cavidade com o formato e dimensões da peça desejada. O modelo de cera é mergulhado numa pasta ou lama refratária feita com sílica ou zircônia, na forma de areia muito fina, misturada com um aglomerante de água, silicato de sódio e/ou silicato de etila. Essa lama endurece em contato com o ar e, após endurecida, o molde é aquecido e o modelo derrete. Imagem 10 – Molde de cera. Permanece só a casca, que recebe o metal líquido. Assim que a peça é solidificada, o molde é quebrado para retirada da peça. Portanto, tanto o molde quanto o modelo são inutilizados no processo. 12 | P á g i n a 3.1.4 – Molde permanente Dependendo da peça a ser fabricada, da quantidade e do tipo de liga metálica que será fundida, a melhor opção é a fundição em molde permanente. Este processo evita problemas comuns aos processos que utilizam moldes descartáveis, como quebras e deformações dos moldes, inclusões de material do molde, entre outros. São utilizados moldes metálicos de ligas de aço ou ferro fundido, cuja vida útil permite a fundição de até 100 mil peças. Mas sua utilização está restrita a ligas metálicas com ponto de fusão mais baixo que ligas de aço, como chumbo, zinco, alumínio, magnésio, bronze e excepcionalmente, o ferro fundido. Comparado às peças produzidas em moldes de areia, apresentam maior uniformidade, melhor acabamento superficial, tolerâncias menores e melhores propriedades mecânicas. Por outro lado, as peças devem ser de tamanho pequeno, produzidas em grande quantidade, e devem possuir formatos simples. Imagem 11 – Moldes permanentes Os moldes possuem duas ou mais partes unidas por grampos, os quais são fechados manualmente ou automaticamente. Antes de fechados para receberem o material fundido por gravidade, a cavidade é coberta com uma pasta adesiva de material refratário para proteger os moldes e facilitar a desmoldagem das peças. Após o fechamento, ocorre o vazamento por gravidade. Depois da solidificação da peça, o molde é aberto e a peça é ejetada por pinos de acionamento hidráulico (quando o processo não é manual). 3.1.5 – Injeção A fundição em molde permanente pode ser feita também sob pressão (injeção). Consiste em forçar a penetração do metal líquido na cavidade do molde, também chamado de matriz. A pressão garante o preenchimento total da matriz. O processo é automatizado, garantindo fechamento, pressão do líquido, abertura e desmoldagem por pinos ejetores. Muitas matrizes são refrigeradas à água, evitando superaquecimento e elevando sua vida útil. São capazes de confeccionar entre 50 mil e 1 milhão de injeções. 13 | P á g i n a A unidade de fusão do metal pode estar junto da máquina de fundição por injeção ou não, dependendo da temperatura de fusão do material. No primeiro caso, o equipamento é chamado de máquina de câmara quente, e no segundo, de câmara fria. Imagem 12 – Peça fundida sob pressão No equipamento de câmara quente, há um recipiente aquecido onde o metal líquido está depositado. Em seu interior, há um pistão hidráulico que força o metal líquido para dentro da matriz. Após a solidificação o pistão volta à posição inicial, a matriz se abre, e a peça é ejetada, iniciando um novo ciclo. 3.1.6 – Comparação entre os processos Resumo das características dos principais processos de fundição, incluindo os grupos: fundição em areia verde, shell molding, cera perdida, molde permanente por gravidade e injeção. 14 | P á g i n a 3.2 – Materiais O processo de fundição aplica-se a vários tipos de metais e também em certos materiais sintéticos a exemplos de plásticos e polímeros. No caso dos metais podem- se citar aços, ferros fundidos (ferro gusa), alumínio, cobre, zinco, magnésio. Também é utilizado a areia para a estampagem do modelo. Os materiais variam de acordo com o processo utilizado e a necessidade e orçamento do projeto. 3.3 – Máquinas As maquinas utilizadas no processo de fundição são basicamente os fornos (usados para fusão do material) e, no método de injeção os compressores. Existem diferentes tipos de forno, são também escolhidos de acordo com o material e principalmente quantidade a ser fundida. 3.3.1 – Forno a arco elétrico Um forno a arco elétrico é um tipo de forno industrial que usa uma corrente elétrica alternada para produzir calor. Estes equipamentos servem como uma alternativa para os altos fornos tradicionais, e desempenham um papel importante na produção de aço globalmente. Em um forno de arco elétrico, a corrente elétrica passa através do aço e de outros metais, o que resulta na produção de aço de modo mais rápido e eficiente. Este tipo de equipamento também pode ser utilizado para processar ferro, ligas de metais e minerais. Imagem 13 – Esquematização forno a arco elétrico. 15 | P á g i n a 3.3.2 – Forno a gás ou óleo São fornos utilizados para fundir metais não ferrosos, os tipos de aquecimento podem ser internos (diretamente sobre o metal) ou externa (aquece o recipiente com o material a ser fundido). Aquecimento interno: Fornos de reverberação a gás temperatura de trabalho de 600 a 1650ºC. Aquecimento externo: Temperatura de trabalho de 200 a 1400ºC – capacidade de 10 a 1.000kg. Imagem 14 – Forno a gás com aquecimento externo. 3.3.3 – Forno cubilô O forno Cubilô é quase que exclusivamente utilizado na produção de ferro fundido e Gusa. O consumo típico de coque é da ordem de 150 kg/ton. Com isso, o ferro produzido no cubilô pode custar até a metade do obtido em forno elétrico, o que explica a sua não-desativação. Ainda apresenta como vantagem o baixíssimo investimento inicial requerido para sua construção, pois é praticamente um forno artesanal. O cubilô pode ser descrito como um forno de cuba, funcionando em contracorrente, onde o carvão/coque têm a função de ser o elemento combustível e o sustentáculo da carga metálica. O mecanismo de fusão do cubilô se baseia na combustão do coque a partir do ar (O2) soprado nas ventaneiras e separa o forno em três regiões: Zona de combustão (queima do coque) ou de oxidação de elementos como silício e manganês que provocam o superaquecimento do banho. Zona de redução do coque ou de fusão do metal. Zona de pré-aquecimento da carga metálica. 16 | P á g i n a 3.4 – Ferramentais Os ferramentais são as ferramentas que auxiliam em algum processo, podem ser de diversos tipos e classes, podem ser dispositivos para armazenamento, mascaras de furação, gabaritos, plataformas, bancadas, moldes, entre diversos outros tipos. Imagem 15 – Exemplo ferramental máscara de furação. No caso do processo de fundição, os ferramentais mais utilizados são os moldes, que são os ferramentais responsáveis por darem forma ao material fundido. Os moldes utilizados na fundição podem ser de diversos tipos, a aplicação é de acordo com o processo de fundição utilizado, conforme descrito no sub tópico “3.1 – Principais tipos de processo”. 3.5 – Custos O preço de serviço de fundição pode variar de acordo com alguns fatores importante, que serão descritos a seguir: Tipo de material de fabricação; É preciso definir quais metais estarão presentesna liga usada no processo de fundição, pois cada metal tem sua característica e seu valor de mercado. Prazo necessário de entrega; As fundições costumam trabalhar com prazos padronizados, e caso haja necessidade de acelerar o prazo, o valor pode vir a sofrer alterações, eventualmente. Mas este é um ponto que deverá ser negociado. 17 | P á g i n a O tipo de maquinário utilizado e o sistema de fundição escolhido também impactarão diretamente no preço de serviço de fundição. Os processos de fundição podem seguir variados modelos, materiais, formatos etc., e por isto o preço de serviço de fundição é um fator bastante variável também. As empresas costumam tabelar de certo modo o preço de serviço, levando em consideração os pontos já descritos e também o volume da produção. Deste modo, podemos dizer que o mais comum no mercado é se trabalhar com a precificação sob consulta. É preciso avaliar todos os itens para que depois se tenha uma realmente uma margem para a precificação final com maior exatidão. 3.6 – Tempo de Fabricação O tempo de fabricação de uma peça por meio do processo de fundição, assim como os demais processos é relativo, pois vai depender de alguns fatores que impactam diretamente: - Método utilizado; - Valor investido; - Quantidade necessária; - Dimensões; - Material. Uma peça de alumínio de aproximadamente 1,5 Kg com espessuras de até 30mm tem os determinados tempos: Tempo de fusão – aproximadamente 1,2 horas; Tempo de vazamento – aproximadamente 0,1 horas; Resfriamento – aproximadamente 4 horas (pode variar de acordo com o método utilizado) 18 | P á g i n a 3 – Vantagens e Desvantagens 4.1 – Vantagens As principais vantagens do processo de fundição são: Geometrias complexas; No processo de fundição é possível manufaturar peças com geometrias complexas sem emendas dependendo do método utilizado. Variedade de tamanhos; No processo de fundição é possível manufaturar peças com diversos tamanhos e pesos, podendo haver peças que ultrapassam as 100 toneladas, assim como peças com menos de 1Kg. Leque de composições vasto; Devido aos vários métodos de fundição, é possível obter bons resultados para diversos tipos de aplicação. Baixo desperdício de matéria prima; Pelo fato de no processo de fundição serem usados moldes, o nível de desperdício de matéria prima é muito baixo, se comparado com os demais processos. 19 | P á g i n a 4.2 – Desvantagens As principais desvantagens do processo de fundição são: Propriedades mecânicas; A peça produzida por fundição tem geralmente as propriedades mecânicas inferiores as peças conformadas/ produzidas por outros processos mecânicos, isso devido ao fato de o material sofrer alterações nas suas propriedades no processo. Controle de defeitos; O processo de fundição de uma peça pode acarretar em diversos tipos de defeitos, e alguns deles são difíceis de identificar. Acabamento superficial; Alguns métodos de fundição são ineficazes em reação ao acabamento superficial, isso devido a qualidade do molde ou a forma que é executada o vazamento do material. Periculosidade; Devido ao fato de o processo de fundição ser executado com a matéria prima em estado líquido, as temperaturas de manuseio são extremamente altas, trazendo então um risco alto de acidentes. 20 | P á g i n a 4 – Bibliografia Processos de fabricação – Fundição. Prof. Eng. Mec. Norberto Moro/ Téc. Mec. André Paegle Auras; https://www.infoescola.com/quimica/fundicao/ http://abifa.org.br/wp-content/uploads/2016/09/revista_abifa_193.pdf http://foundrygate.com/br/noticias/ver/4790/primeiro-bimestre-e-de-alta-para-a- industria-de-fundicao-do-brasil http://www.mme.gov.br/documents/1138775/1256652/P35_RT61_Perfil_da_Fundixo. pdf/182e4c30-328b-4e8c-8df8-e7ed75ffc16d http://mmborges.com/processos/Conformacao/cont_html/fundicao.htm https://fagnerferraz.files.wordpress.com/2011/12/aulas-12-e-3-fundic3a7c3a3o- fagner3.pdf http://www.sinto.com.br/pt/nfe/pdf-produtos/fundicao.pdf https://slideplayer.com.br/slide/11122921/ https://sites.google.com/site/tecnologiaprocessometalurgico/fundicao-i/2-fornos/4-f- cubilo http://www.refrata.com.br/aplicacoes/ferrosos/forno-cubilot http://www.metaeventos.net/userfiles/file/iencontrodeengenharia,CienciadeMateriais einovacaodoestadodoRiodeJaneiro/pdfs/174.pdf
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