Fundição de Biela

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III SIMPÓSIO NACIONAL DE CIÊNCIAS E ENGENHARIAS - SINACEN
11 a 16 de novembro 
Volume 03, Número 01, 2019
ESTUDO DE CASO: FUNDIÇÃO EM MOLDE DE AREIA VERDE
SOARES, Gabriela Fiugueiras
Centro Universitário de Anápolis - UniEVANGÉLICA. sergio.brandao@unievangelica.edu.br
NEVES, Jefferson Rodrigues das
Centro Universitário de Anápolis - UniEVANGÉLICA. jefferson_neves1@outlook.com
SILVA, Kaio Vinicios Gonçalves
Centro Universitário de Anápolis - UniEVANGÉLICA. kaiovinicios62@hotmail.com
BRITO, Lucas da Silva
Centro Universitário de Anápolis - UniEVANGÉLICA. lucaabr3@gmail.com
E SILVA, Mateus Ribeiro Carvalho
Centro Universitário de Anápolis - UniEVANGÉLICA. mateusrib@gmail.com
Resumo
O Processo de fundição é um método onde a liga metálica em estado líquido, é vazado em molde com o formato e medidas correspondentes aos da peça a ser produzida. Neste artigo vamos relatar os processos necessários para obtenção de uma Biela utilizando o método de fundição em areia verde. Onde o processo de fundição em areia verde é um dos mais utilizados nos segmentos industriais voltados à confecção de peças fundidas, pois apresenta custo mais baixo, boa produtividade e menor tempo de desenvolvimento. 
Palavras-Chave: Fundição, Areia verde, Biela. 
1. Introdução 
1.1 Generalidades:
Uma fundação se dá por meio de derramamento de metal (liga metálica) líquido no interior de uma cavidade denominada molde cuja forma corresponde, em negativo, à peça utilizada (SIEGEL, 1985).  Com uma solidificação do metal derramado, obtém uma peça fundida.  Esse método milenar de fabricação de peças evoluiu com a humanidade e tornou-se um dos mais versáteis, permitindo a fabricação de peças únicas ou em série nas mais variadas formas e complexidades e nos mais diversos tamanhos.  Há ainda um fato relevante do processo que é um dos mais econômicos de produzir em série uma vasta gama de componentes metálicos.  As etapas básicas de um processo de fundição, geralmente, se dividem em projeto e confecção do modelo, confecção de moldes e machos, derramamento de líquido metálico, desmoldagem e acabamento.  Em contextos fabris, uma função pode ser considerada um processo de fabricação de peças metálicas, que representa ou o caminho mais curto entre uma matéria-prima metálica líquida e uma peça semiacabada, e em condições de uso, para utilização imediata. (BALDAM,VIERA,2014a).
1.2 Histórico:
Os objetos em metal mais antigos, conhecidos até há mais de 10.000 a.C.  Eram pequenos enfeites de conativo e batidos no formato desejado.  No período de 5.000 a 3.000 a.C., aparece os primeiros trabalhos com cobre fundido, sendo os moldes feitos a partir de pedra lascada.  Na sequência, inicie a Era do Bronze.  O processo de fundição de ferro tem lugar na China em 600 a.C.; já o aço se dá mais tarde, na Inglaterra, em 1740, atribuído ao inventor inglês, filho de imigrantes alemães, Benjamin Huntsman. 
Cronograma evolutivo da tecnologia da fundição:
 4000 a.C.  processo de fundação por modelos perdidos que surgem em países como China, Egito, Índia e Nigéria, e na América do Sul.
 2800 a.C.: processos de uso de ferro, a partir de seus minérios, por redução com carvão vegetal, na Mesopotâmia.
1000 a.C.: início da Idade do Ferro, com um desgaste de ferro forjado. 
250 a 100 a.C.: no império romano, a metalurgia do ferro passa a fazer parte constante em processos de infraestrutura e aplicações importantes do cotidiano (armamento, canalizações diversas, charruas, ferramentas, machados.
1300 a 1400: desenvolvimento de fornos de fusão industrial.  Tecnologia de teste de ferro fundido no forno cubilô. 
1760: início da Primeira Revolução Industrial – o coque que substituição o carvão industrial no Alto-Forno.  Início da utilização do Alto-Forno na Europa.
1855: implante de processos Bessemer, Thomas e Siemens-Martin, para a elaboração do aço, a partir da gusa.
1890: F. Osmond estudou o comportamento de altas temperaturas e definiu os pontos críticos da Diagrama de Ferro Carbono. 
1944: o alemão Johannes Croning elabora e desenvolve o processo de fundição Shell Molding, registrando sob patente.
1960 em diante: desenvolvimento da fabricação por controle de transformações para desgaste, em especial, peças fundidas em aço de alta resistência. (BALDAM,VIERA,2014b).
1.3 Aplicações de peças fundidas.
Algumas características da fundição em uma posição estratégica:
O fato de uma fundação ser o caminho mais curto entre a liga metálica e as peças prontas torna o processo atrativo economicamente para muitas situações.
Por não haver limites para a confecção de moldes e conjuntos de fundidos, uma fundição é considerada um processo com maior liberdade de formas disponíveis.
Peças desde poucas gramas, como joias até peças com dezenas de toneladas, como turbinas para hidrelétricas, peças de navios, potes de escória, podem ser produzidas por fundição. (BALDAM,VIERA,2014c).
1.4 Areias de moldagem.
Areia de moldagem é um sistema heterogêneo constituído essencialmente de um elemento granular refratário (normalmente areia silicosa) e aglomerante. A areia de moldagem deve apresentar elevada refratariedade, boa resistência mecânica permeabilidade adequada e plasticidade. (SOARES,2000).
O projeto em questão consiste em um estudo de caso, utilizando como base as literaturas e, colocando em prática o processo, visando orientar novos acadêmicos a alguns aspectos práticos do processo. A peça a ser fabricada, é uma Biela, componente de um mecanismo que converte movimento linear do pistão, em movimento rotativo para a transmissão de sistema automotores, visto que o foco é no processo, o material utilizado é o Alumínio, impossibilitando o uso do componente em situações reais, que demandam cargas de trabalho elevadas.
2. Metodologia
Primeiramente é realizado o desenho da biela no SolidWorks 2019, com as cotas apresentadas na tabela 1. Em seguida é feito o modelo da peça, o modelo a ser obtido é utilizado para dar forma e dimensões à cavidade do molde (imprimir o molde). 
É realizado o dimensionamento do modelo utilizando a formula 1.
 
Onde: 
Xmod: é a cota do modelo [mm];
Xpeça: é a cota da peça [mm]
C: Contração Aproximada [%];
Sm: Sobre-espessura de usinagem [mm].
A contração usada no processo está na tabela 1, com isso obtém as cotas finais do modelo (tabela 1). 
O dimensionamento do massalote é a partir do volume e área, obtidos no SolidWorks. O possesso seguindo dois critérios, o primeiro critério (regra do modelo) e o segundo regra da contração, é selecionado sempre o maior volume entre os critérios. 
Primeiro critério; para o modelo da peça equação 2.
 
Mp: modulo da peça [cm]
V: volume [cm³]
 A: área [cm²]
 Em segunda vem o modelo do massalote equação 3 
 
Onde:
Mm: modulo da peça [cm]
Mp: modulo da peça [cm]
K: Constante para caso geral [k= 1,2]
conhecendo esses resultados das equações anteriores e utilizando a equação 6, é possível calcular o raio.
 
Onde: 
Mm: modulo da peça [cm]
R: Raio [cm]
Conseguem-se obter o raio e altura equação 5.
 
Onde:
H: Altura [cm]
R: raio [cm]
Depois vem área do cilindro na equação 6.
 
Onde: 
A: área do massalote [cm]
R: raio do massalote [cm]
A’: área da peça [cm]
Com isso encontra o volume do massalote utilizando equação 7. 
 . 
 Onde:
 V: volume do massalote [cm³] 
 H: altura do massalote [cm]
 
No segundo critério, é calculado o critério volumétrico, dado k = 6 (caso geral) e utilizando a seguinte equação 10.
,
 Onde:
 Vc: volume calculado [cm³]
 Vp: volume da peça [cm³]
 Onde é tabelado (das ligas de alumínio). com isso, utilizando o volumétrico da equação anterior obtém o volume na seguinte equação11.
 
 Onde: 
 Vm: volume do massalote [cm³]
 K’’: constante para casos gerais [k = 6]
 Vc: volumétrico calculado [cm³]
Para determinar o critério de arrefecimento, deve-se ter a área da peça com o massalote 10 e 11, respectivamente.10)
 Onde:
 A: área do massalote [cm²]
 R²: raio do massalote [cm]
 H: altura do massalote [cm]
 (11)
 Onde: 
 Apeça: área da peça [cm²]
 Ai: área inicial [cm²]
 Para a parte final do cálculo do módulo, precisa-se do volume e área total da peça. Obtida das seguintes equações 12 e 13.
 
Onde: 
At: volume total da peça [cm²]
Apeça: área da peça [cm²]
Am: área do massalote
 (13)
Onde:
Vt: volume total da peça [cm³]
Vm: volume do massalote [cm³]
Na equação 12, encontra-se o novo módulo de arrefecimento total.
 
 Onde: 
 Vt: volume total
 At: área total
A partir dos cálculos anteriores e o valor de sobreaquecimento determinado a uma temperatura de 150 ºC, encontra-se t=17 s, valor tabelado. 
 Para determina-se a secção característica do sistema de gitagem, utiliza a seguinte equação 15. 
 
 Onde:
 b: deferência de altura entre o topo da moldação e topo dos alimentadores [cm]
 g: aceleração da gravidade [ g = 8,8 m/s²]
 t: tempo estimado para o enchimento da cavidade [s]
 H: altura da meia moldação superior [cm]
 Vinf: volume da peça da meia moldação inferior [cm³]
 Vsup: volume da peça da meia moldação superior [cm³]
 V.alim: volume dos alimentadores [cm³]
 Em seguida vem o diâmetro do canal de descida, utilizando a seguinte equação 16. 
 
 Onde:
 Dmin: diâmetro mínimo do canal de descida [mm]
Scsg: secção característica do sistema de gitagem [mm]
 A partir da determinação da seção mínima, é possível, através do sistema de gitagem e da equação 17.
, 
 Obtém o valor do diâmetro dos canais de distribuição
 Onde: 
 Dal: diâmetro dos canais de distribuição [mm]
 Dmin: diâmetro mínimo do canal de descida [mm]
 Em seguida vem o cálculo do diâmetro dos canais de ataque, através da equação 18.
 
 Datq: diâmetro dos canais de ataques [mm]
 Dmin: diâmetro mínimo do canal de descida [mm]
Depois desses cálculos, encontra-se o diâmetro do topo do canal de enchimento, através da equação;
 
 Onde:
 Dtopo: diâmetro do topo do canal de enchimento [mm]
 Dbase: diâmetro da base [mm].
2.1 Montagem do Molde
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. 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 silica (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.
2.1.1 Etapas da moldagem
1. A caixa de moldar é colocada sobre uma placa de madeira ou no chão. O modelo, coberto com talco ou grafite para evitar aderência da areia, é colocado no fundo da caixa. A areia é compactada sobre o modelo manualmente ou com o auxílio de marteletes automáticos.
2. Essa caixa, chamada de caixa fundo, é virada de modo que o modelo fique para cima.
3. Outra caixa de moldar, chamada de caixa-tampa, é posta sobre a primeira caixa. Em seu interior são colocados o massalote e o canal de descida. Enche-se a caixa com areia que é socada até que a caixa fique completamente cheia.
4. O canal de descida e o massalote são retirados e as caixas são separadas.
5. Abre-se o copo de vazamento na caixa-tampa.
6. Abre-se o canal de distribuição e canal de entrada na caixa-fundo e retira-se o modelo.
7. Se há machos, são colocados nesta etapa. Coloca-se a caixa de cima sobre a caixa de baixo. Para prender uma na outra, usam-se presilhas ou grampos. Depois disso, o metal é vazado e após a solidificação e o resfriamento, a peça é desmoldada, com o canal e o massalote retirados. Obtém-se, assim, a peça fundida que depois é limpa e rebarbada. As vantagens do processo são: Tem o mais baixo custo dentre todos os métodos; Facilidade de reparo dos moldes;
Equipamentos mais simples. Esquema da caixa montada na Figura 1.
As desvantagens são: A areia natural é normalmente heterogênea, ou seja, sua composição varia para cada parte, influenciando na qualidade das peças;
Acabamento superficial inferior;
Maior deformação do molde (erosão) com peças de maior tamanho.
2.2. Determinação do Regime de escoamento, por Reynolds.
É de extrema importância, conhecer o regime de escoamento no vazamento do metal no molde, pois assim podemos prevenir alguns problemas decorrentes do mesmo. Existem dois tipos de escoamento, o laminar, onde as partículas se deslocam em lâminas individualizadas, sem troca de massa entre elas. E o turbulento, em que as partículas apresentam movimento aleatório macroscópico, isto é, a velocidade apresenta componentes transversais ao movimento geral do conjunto do fluido. A determinação desse regime, depende do número de Reynolds, obtido pela equação 19.
 
Onde:
Re: Número de Reynolds, adimensional;
v: Velocidade média, em cm/s
y: Viscosidade Cinemática do Alumínio, em cm².10-²/s;
D: Diâmetro do canal de descida, em cm; 
A velocidade média de descida do metal através do canal descida pode ser descrito pela equação de Bernoulli, nº 20.
 
Onde: 
k: Perda de carga, considera-se geralmente, 80% ou 0,8;
g: Aceleração da gravidade, dado em cm/s;
h: Altura do canal de descida, em cm, obtido no projeto do massalote.
A partir dos valores supracitados, determina-se o regime de escoamento, impactando que há perdas de carga por atrito entre paredes dos canais e o líquido que possui certa viscosidade, algo que não irá, teoricamente, afetar no completo enchimento no molde, mas pode causar defeitos nas camadas superficiais. 
2.3. Resistência Equivalente da Caixa a partir de Transferência de Calor. 
A Resistência térmica, mede a capacidade do corpo em resistir o fluxo de calor. Como a caixa é composta por diversos materiais, faz-se necessário o cálculo da resistência equivalente. Utilizando a equação 21. 
 
Onde: 
Req: Resistência equivalente, dado em K/W.
Rcond.ar: Resistência térmica da areia.
Rcond.al: Resistência térmica do Alumínio. 
A partir disso, pode se determinar como o sistema se comporta durante um regime de fluxo de calor.
2.4. Tolerâncias dimensionais e geométricas.
A tolerância dimensional e a diferença tolerada entre a dimensão mínima e máxima permitindo limitar os erros dimensionais.
A tolerância geométrica permite limitar erros de forma, de orientação e localização dos elementos. A Cilindricidade e a condição do rolo onde ele apresenta uma forma cilíndrica, os valores de cilindricidade são estabelecidos apenas para rolos de superfície rígida, essas tolerâncias são importantes no trabalho pois permite atender os requisitos dimensionais da peça. No Apêndice A, situa-se o desenho da peça com suas respectivas tolerâncias. 
3. Resultados
3.1 – Dimensional do Modelo
Para se realizar o cálculo do modelo, toma-se como variáveis os valores de contração do material utilizado e o sobremetal, na tabela a seguir, estão dispostos os valores das medidas originais da peça, bem como a contração e a margem dimensional para usinagem, resultando no valor final das medidas do modelo.
Tabela 1 – Modelo 
	Cotas da peça (mm):
	Contração 
aproximada (%):
	Margem
dimensional (mm):
	Cota do modelo
(mm):
	102,5
	0,13
	2,38
	106,2125
	59,5
	0,132,38
	62,6535
	20
	0,13
	2,38
	22,64
	20
	0,13
	2,38
	22,64
	10
	0,13
	2,38
	12,51
	41
	0,13
	2,38
	43,913
	17
	0,13
	2,38
	19,601
	15,33
	0,13
	2,38
	17,90929
	8,19
	0,13
	2,38
	10,67647
	131,5
	0,13
	2,38
	135,5895
	83,3
	0,13
	2,38
	86,7629
	18
	0,13
	2,38
	20,614
	4
	0,13
	2,38
	6,432
Fonte: Autor.
No calculo deste valor, usa-se a seguinte a relação descrita na equação 1.
 
3.2.2 Dimensional do Massalote e Sistema de Enchimento
O Sistema de massalote pode ser dimensionado, a partir do volume e área da peça. Estes, obtidos a partir do software SolidWorks, considerando que a área seja 115,610 cm² e o volume 51,781 cm³. Através da equação 2 pode se definir o Mp. 
A partir do valor de Mp, e o valor da constante K para casos gerais, 1,2. Obtém-se, a partir da equação 3, o módulo do massalote Mm.
Conhecendo o módulo do massalote, e tomando a relação descrita na equação 4, tem-se:
Dado o valor do raio do massalote, é possível obter a altura, com base na equação 5. 
Em seguida, tendo posse dos valores acima, usa-se a fórmula da área do cilindro, equação 6, posteriormente subtraída da área do modelo. 
E o volume, área da base multiplicada pela altura, descrito na equação 7.
No segundo critério, o volumétrico, tomando os valores do volume da peça de 115,610 cm² e o de das ligas de Alumínio, e segundo a equação 8, encontra-se o valor de Vc. 
Com o valor de Vc, tem-se que o valor de Vm, a partir da equação 9.
Neste caso, escolhe-se o maior valor para o volume, obtido na resolução da equação 7. E em seguida, calcula-se o módulo de arrefecimento total, utilizando-se as seguintes equações, 10 e 11, respectivamente.
Para a parte final do cálculo do módulo, precisa-se do volume e área total da peça, dados peça equação 12 e 13. 
Em seguida, usa-se a relação da equação 14, tendo em mãos os valores da área e volume totais.
A partir desse valor e o valor de sobreaquecimento determinado a uma temperatura de 150 ºC, encontra-se t=17 s na tabela situada no anexo 1. 
3.2.1 Cálculo do sistema de Enchimento
Utilizando a equação 15. Determina-se a secção característica do sistema de gitagem.
Determinando, dessa forma, o diâmetro do canal de descida, na equação 16:
A partir da determinação da seção mínima, é possível, atráves do sistema de gitagem e da equação 17, fixar o valor do diâmetro dos canais de distribuição.
E por conseguinte, o diâmetro dos canais de ataque, através da equação 18.
De posse destes valores, encontra-se o diâmetro do topo do canal de enchimento, fazendo o uso a equação 19.
A partir desses dados o sistema de massalotes e canais de enchimento está completo e pronto para ser inserido ao molde.
3.3. Considerações referentes a Mecânica dos Fluidos.
Utilizando-se a equação 19, determina-se o número de Reynolds, e consequentemente o escoamento. Onde: 
Re < 2000 ;Escoamento Laminar;
Re < 2000 < 2400; Escoamento de Transição;
Re > 2400 ;Escoamento turbulento. 
Portanto, dispondo-se dos dados, velocidade média de 7,34 cm/s (obtida através da equação 20) ; viscosidade cinemática do Alumínio de 1,27 cm² . 10-²/s e diâmetro do canal de 3 cm, tem-se que:
Portanto, o escoamento é turbulento, portanto, é importante tomar algumas medidas para que isso seja evitado, retirando curvas em ângulo vivo, mudanças bruscas de seção, e tentar de alguma forma limitar a velocidade de escoamento. 
3.4. Resistencia Térmica Equivalente.
Utilizando-se, valores de área das caixas, de 372 cm², área da peça de 115,610 cm²; e condutividade térmica, da areia verde e do alumínio, respectivamente, 2,923 e 168 W/m.K, tem-se, segundo a equação 21:
 
Desta forma, tem-se a resistência equivalente do sistema disposto em série.
4. Conclusão
Após o processo de fundição em areia verde realizado, concluímos que a fundição é um processo para fabricar peças, podendo ser de formatos simples ou complexos; de baixo custo, boa eficiência de produção. 
Com a realização deste experimento compreendemos as etapas e os processos envolvidos na fundição, como desenho da Biela no SolidWorks, preparação da areia, elaboração do molde, são processos destacados no fluxograma em materiais e métodos. 
O objetivo do trabalho foi obteção da peça fundida, a peça confeccionada foi a Biela, e os resultados foram precisos. 
5. Referências
[1] BALDAM, R. L. & VIEIRA, E. A. Fundição e Tecnologias Correlatas. 2. ed. rev.. São Paulo: Erica, 2014.
[2] Handbook: Glossário. www.infomet.com.br, acessado em 21/01/2007.
[3] LOSEKAN, Cláudio R.; CARPES Jr, Widomar P.; MORO, Norberto. Processos
de Fundição. Apostila do Curso Técnico em Mecânica do CEFET/SC, 2002.
[4] Processos de Fabricação. Volume I. Apostila do Curso Técnico em Mecânica.
Telecurso 2000.