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Processos de Fabricação I Unidade I - Fundição Prof. MSc. Antônio Barroso ESTÁCIO Conceitos Fundamentais Introdução Fundição: é um processo de fabricação onde um metal ou liga metálica, no estado líquido, é vazado em um molde com formato e medidas correspondentes aos da peça a ser produzida. É utilizada desde a antiguidade para fabricar ferramentas e armas, sendo muito útil ainda nos dias de hoje, pois pode produzir peças em praticamente qualquer forma e qualquer dimensão. ESTÁCIO Conceitos Fundamentais Introdução • 5000 A.C. – Facas, pontas de lanças, moedas, artefatos domésticos (Cu, Sn); • 2000 A.C. – Ferrosos; • 500 A.C. – Bronzes e ceras perdidas; • > 500 A.C. – Armas, escudos, aumento da qualidade ESTÁCIO Conceitos Fundamentais Introdução ESTÁCIO Conceitos FundamentaisESTÁCIO Vantagens: • Podem apresentar formas externas e internas desde a mais simples até a mais complexa; • Sem limite de peso; • Têm dimensões limitadas apenas pelas restrições das instalações; • Permitem diversos padrões de acabamento e tolerância (entre ± 0,02 e 0,25 mm); • Economia de peso, pois permite a obtenção de paredes com espessuras quase ilimitadas; • Versatilidade e baixo custo (em relação a outros processos); • Utiliza sucatas (reciclagem). Conceitos FundamentaisESTÁCIO Conceitos FundamentaisESTÁCIO Desvantagens: • Elevadas tensões residuais; • Micro porosidade; • Variações no tamanho do grão; • Dificuldade de fusão do metal; • Necessidade de atmosferas inertes; • Trincas e cavidades de contração; • Criação de zonas dentro do material; Conceitos Fundamentais Introdução Principais propriedades da Fundição: • Temperatura de fusão; • Fluidez do material. Principais processos de Fundição: • Fundição por Gravidade; • Fundição sob Pressão; • Fundição por Centrifugação; • Fundição de Precisão; • Outros métodos. ESTÁCIO Conceitos Fundamentais Fundição • Peças conformadas pela solidificação por resfriamento; • Diversos materiais: • Ferro • Aço • FoFo • Alumínio • Etc... • Principais variações / limitações: • Tipo de solicitações (cargas) que a peça está sujeita; • Tolerância geométrica (limites de tamanho); • Quantidade de fabricação; • Rugosidade; • Temperatura de fusão; ESTÁCIO Conceitos Fundamentais Fundição ESTÁCIO Conceitos Fundamentais Passo a Passo da Fundição • O metal de matéria-prima para produção de peças fundidas é normalmente uma das ligas metálicas ferrosas (ligas de ferro e carbono) ou não-ferrosas (ligas de cobre, alumínio, zinco e magnésio) ESTÁCIO Conceitos Fundamentais Passo a Passo da Fundição • O processo de fabricação dessas peças por meio de fundição pode ser resumido nas seguintes operações: • Confecção do modelo; • Confecção do molde; • Confecção dos machos; • Fusão; • Vazamento; • Desmoldagem; • Rebarbação; • Limpeza; • Inspeção; • Recuperação; • Conformação final; • Tratamento Térmico. ESTÁCIO Conceitos Fundamentais Passo a Passo da Fundição • Etapas de seleção do processo: 1. Quantidade de peças a produzir; 2. Projeto da fundição; 3. Tolerâncias requeridas; 4. Grau de complexidade; 5. Especificação do metal; 6. Acabamento superficial desejado; 7. Custo do ferramental; 8. Comparativo econômico entre usinagem e fundição; 9. Limites financeiros do custo de capital; 10. Requisitos de entrega. ESTÁCIO Conceitos Fundamentais Passo a Passo - Modelo • Essa etapa consiste em construir um modelo com o formato aproximado da peça a ser fundida. • Esse modelo vai servir para a construção do molde e suas dimensões devem prever a contração do metal quando ele se solidificar bem como um eventual sobremetal para posterior usinagem da peça. • Ele é feito de madeira, alumínio, aço, resina plástica e até isopor (polímeros). ESTÁCIO Conceitos Fundamentais Passo a Passo - Molde • Dispositivo no qual o metal fundido é colocado para que se obtenha a peça desejada; • É feito de material refratário composto de areia e aglomerante; • Esse material é moldado sobre o modelo que, após retirado, deixa uma cavidade com o formato da peça a ser fundida. ESTÁCIO Conceitos Fundamentais Passo a Passo - Machos • Macho é um dispositivo, feito também de areia, que tem a finalidade de formar os vazios, furos e reentrâncias da peça; • São colocados nos moldes antes que eles sejam fechados para receber o metal líquido. ESTÁCIO Conceitos Fundamentais Passo a Passo - Fusão • Etapa em que acontece a fusão do metal de base da peça a ser fabricada. ESTÁCIO Passo a Passo - Vazamento • Enchimento do molde com metal líquido. Conceitos Fundamentais Passo a Passo - Desmoldagem • Após certo tempo de resfriamento para que a peça se solidifique dentro do molde, ela é retirada do molde (desmoldagem) manualmente ou por processos mecânicos; • O tempo de resfriamento depende do tipo de peça, do tipo de molde e do metal (ou liga metálica). ESTÁCIO Passo a Passo - Rebarbação • A rebarbação é a retirada dos canais de alimentação, massalote e rebarbas que se formam durante a fundição; • Ela é realizada quando a peça atinge temperaturas próximas às do ambiente. Conceitos Fundamentais Passo a Passo - Limpeza • A limpeza é necessária porque a peça apresenta uma série de incrustações da areia usada na confecção do molde; • Geralmente é feita por meio de jatos abrasivos. ESTÁCIO Passo a Passo - Inspeção • Detecção de possíveis defeitos remanescentes na peça; • Recuperação caso haja defeitos. Conceitos Fundamentais Passo a Passo – Conformação final • Usinagem, furação e outros métodos; • Obter detalhes não permitidos na fundição propriamente dita. ESTÁCIO Passo a Passo – Tratamento térmico • Obtenção de propriedades desejadas específicas de cada peça. Conceitos Fundamentais Passo a Passo ESTÁCIO Modelo Molde Machos Fusão Vazamento Rebarbação Desmoldagem Limpeza Inspeção, Conformação e T.T. Conceitos Fundamentais Passo a Passo ESTÁCIO Conceitos Fundamentais Características do processo • A peça produzida pode ter as formas e dimensões definitivas ou não; • Furos pequenos e detalhes complexos não são feitos na peça, embora apareçam no desenho; • Arredondamento de cantos e engrossamento das paredes; • As propriedades mecânicas de peças fundidas geralmente são inferiores às propriedades de peças conformadas mecanicamente. ESTÁCIO Conceitos Fundamentais Principais defeitos do processo • Inclusão da areia do molde nas paredes da peça; • Defeitos de composição da liga metálica que geram partículas duras indesejáveis no material; • Rechupe = Surgimento de porosidade (pequenos buracos/furos) dentro da peça. • Para evita-lo, deve-se dimensionar corretamente o massalote. ESTÁCIO Conceitos Fundamentais Contração de volume • Contração líquida • Contração de solidificação • Contração sólida • Expressa em porcentagem (%) de volume • A maioria dos materiais metálicos apresenta redução de volume (-), mas alguns apresentam expansão (+). ESTÁCIO Conceitos Fundamentais Impurezas • Segregação durante o processo de solidificação; • Em ligas, os elementos com menores pontos de fusão se concentram no líquido, e a última região a solidificar é mais rica nesses elementos; • Ligas ferro-carbono: fósforo, enxofre, manganês, silício e o carbono; • Inconveniente: o material acaba apresentando composição química não uniforme, e consequentes propriedades mecânicas diferentes; • Como as zonas segregadas se localizam no interior das peças, onde as tensões são mais baixas, as suas consequências não são tão grandes, porém deve-se evitar uma grande concentração de impurezas (controle da composição química e da velocidade de resfriamento). ESTÁCIO Conceitos Fundamentais Desprendimento de gases • Esse fenômeno ocorre principalmente nas ligas ferro-carbono; • O oxigênio dissolvido no ferro líquido tende a combinar-se com o carbono, formando os gases CO e CO2, que escapam facilmenteà atmosfera; • Porém, a medida que a viscosidade da massa liquida diminui (resfriamento), fica mais difícil à fuga dos gases, os quais acabam ficando retidos nas proximidades da superfície das peças, formando bolhas; ESTÁCIO Conceitos Fundamentais Tipo de Molde • Podem ser classificados pela força ou pressão usada para preencher o molde com o metal líquido (por gravidade ou por pressão). ESTÁCIO Modelagem Propriedades dos modelos • Modelo sólido (inteiriço) = sem planos de separação, juntas ou peças soltas. • Grande maioria fabricado em madeira. • Bipartição dos modelos = maior facilidade de fabricar dois semi-modelos e uni-los ao fim do processo; • Esse processo deixa a famosa “impressão dos moldes”, a marca que separa as duas metades. • Compactação da areia ao redor do modelo = o modelo é inserido em uma caixa e esta é preenchida com areia de fundição, sendo compactada dos 2 lados; • Alta produção = máquinas de moldagem. ESTÁCIO Modelagem Propriedades dos modelos • Cópia fiel da peça a ser fundida, prevendo as contrações volumétricas do resfriamento e medidas excedentes para formação do sobremetal, usado para acabamento na usinagem. • Fabricação do macho = mecanicamente resistente durante o vazamento e ser quebradiço após o material estar resfriado para facilitar a remoção da peça fundida; • É feito com uma areia mais fina, misturada a argilas específicas. • Previsão e concepção de um Dreno= fundamental para expulsar o ar e contaminações; • Pintura = identificação e diferenciação da peça a ser fabricada. ESTÁCIO Modelagem Tipos e classificações dos modelos • Podem ser divididos quanto a sua forma construtiva: • Manual; • Emplacado; • Caixa-placa. ESTÁCIO Modelagem Tipos e classificações dos modelos • Manual; • Não fixado, é possível acessar todas as partes, pode ser bipartido ou não e pode utilizar machos ou não; • Mais trabalhoso (solto); • Inúmeros tamanhos e complexidades.; • Diversas geometrias e materiais. ESTÁCIO Modelagem Tipos e classificações dos modelos • Emplacado; • Fixada em uma placa; • Rebaixo para facilitar o encaixe no fechamento; • Fabricação de peças em série com modelos diversos na mesma placa. ESTÁCIO Modelagem Tipos e classificações dos modelos • Caixa-placa. • Semelhante ao anterior, porém apresenta moldura nas bordas que funciona como caixa de moldagem; • Economiza-se as madeiras para montar a caixa. ESTÁCIO Modelagem Tipos e classificações dos modelos • Podem ser divididos quanto ao material utilizado: • Modelo em Cera; • Modelo em Madeira; • Modelo em Isopor; • Modelo em Resina; • Modelo Metálico; ESTÁCIO Modelagem Tipos e classificações dos modelos • Modelo em Cera; • Pequenas peças ( Ex: jóias); • Alto custo; • Peças finas e de modelagem delicada; • Não necessita de macho; • Baixa necessidade de usinagem; • Descartável; ESTÁCIO Modelagem Tipos e classificações dos modelos ESTÁCIO Modelagem Tipos e classificações dos modelos • Modelo em Madeira; • Mais utilizado; • Facilidade de produção; • Diversos tamanhos e formas; • Médio custo e boa resistência; • Principal desvantagem: intemperismo, calor e humidade (acabamento); • Deve ser armazenado com cuidado; ESTÁCIO Modelagem Tipos e classificações dos modelos • Modelo em Madeira; ESTÁCIO Modelagem Tipos e classificações dos modelos • Modelo em Isopor (Poliestireno); • Peça única (descartável); • Vantagem = não necessita desmontagem, pois é consumido; • Baixo custo; • Fácil transporte (leve); • Baixa resistência mecânica; ESTÁCIO Modelagem Tipos e classificações dos modelos • Modelo em Resina; • Fabricação em média/larga escala; • Alta durabilidade e resistência; • Custo alto; • Bom acabamento; ESTÁCIO Modelagem Tipos e classificações dos modelos • Modelo Metálico; • Produção em série (larga escala); • Excelente resistência mecânica; • Ótima durabilidade e bom acabamento; • Custo muito alto; • Dificuldade de transporte. ESTÁCIO Modelagem Tipos e classificações dos modelos • Inovação – Prototipagem rápida • Alternativa para produção de modelos e protótipos tridimensionais muito precisos (impressoras 3D) utilizando auxilio de computador (CAD, CNC) com diversos tipos de materiais (matéria-prima). ESTÁCIO Modelagem Tipos e classificações dos modelos ESTÁCIO Modelagem Tipos e classificações dos modelos • Inovação • Programas de computador que simulam todo processo de fundição; • Virtual Aluminium Castings (VAC) • Simula blocos e cabeçotes virtuais; • Concebidos, fabricados, submetidos a T.T., teste de fadiga; • Principais clientes: Indústria automotiva; ESTÁCIO Modelagem Materiais para modelos ESTÁCIO Modelagem Construção dos modelos • Projeto da peça: primeira etapa para construção de um modelo é o projeto da peça que determina ao aspecto, as dimensões finais e outros pontos da peça fundida. • 10 Regras básicas: 1. Compensar ou atenuar os efeitos da contração volumétrica durante a solidificação; 2. Evitar cantos vivos e variações abruptas de seção; 3. Eliminar todos os cantos vivos; 4. Reduzir o número de seções que se encontram para formar junções; 5. Evitar tensionamento da peça; ESTÁCIO Modelagem Construção dos modelos • 10 Regras básicas: 6. Projete todas as seções com uniformidade de espessura; 7. Manter uma certa proporcionalidade dimensional entre as paredes internas e externas; 8. Saliências, ressaltos e asas não devem ser utilizados, a menos que seja absolutamente necessário. 9. Projete os fundidos usando nervuras e reforços para a obtenção de eficiência máxima; 10. Considerar contração no estado sólido e sobremetal de usinagem nas tolerâncias dimensionais. ESTÁCIO Resumo Passo a Passo - Fundição • Confecção do Modelo • Consiste em construir um modelo com formato aproximado (maior – contrações) da peça a ser fundida. • Madeira, alumínio, aço, resina... ESTÁCIO Resumo Passo a Passo - Fundição • Confecção do Molde • Dispositivo onde o metal fundido é despejado para obter a peça desejada; • Material refratário, geralmente de areia e aglomerante. ESTÁCIO Resumo Passo a Passo - Fundição • Confecção dos Machos • Dispositivo feito também de areia, com a finalidade de formar vazios, furos e reentrâncias na peça; • Colocados nos moldes antes de despejar o metal líquido; • A retirada do modelo deixa o espaço vazio a ser preenchido pelo metal; ESTÁCIO Resumo Passo a Passo - Fundição • Fusão e Vazamento • Fusão e despejo do metal de base no molde; ESTÁCIO Resumo Passo a Passo - Fundição • Desmoldagem e rebarbação • Retirada da peça solidificada (manual, mecânica ou automatizada); • Remoção dos canais de alimentação, massalote e rebarbas formadas; ESTÁCIO Resumo Passo a Passo - Fundição • Limpeza e acabamento • Retirada das incrustações de areia (ou outro material) do molde; • Jatos abrasivos; • Acabamento final da peça: pintura, inspeção, conformação e T.T. ESTÁCIO Resumo Processos típicos de Fundição • Fundição em Areia; • Fundição em Molde permanente; • Fundição por Injeção; • Fundição de Precisão (Shell Molding, Cera Perdida); ESTÁCIO Areias de Fundição Moldagem em areia • Areia base + aglomerante + água + possível aditivo; • Molde colapsável (não-permanente); • Reciclável. • Requisitos: • Resistência suficiente para suportar a pressão do metal líquido; • Resistência a erosão do metal escoando rapidamente (vazamento); • Permeabilidade suficiente para escape dos gases gerados no vazamento; • Refratariedade para suportar altas temperaturas de fusão dos metais; • Considerar a contração da peça na solidificação; • Monitoramento do pH. ESTÁCIO Areias de Fundição Moldagem em areia • Caixa de Moldagem: • Dividida em 2 partes (caixas), superior e inferior; • Modelos montados em placa; ESTÁCIO Areias de Fundição Areia Verde • A mais conhecida é a “Areia Verde”; • Areia + argila(aglomerante) + agua; • Verde = porque mantém sua umidade original, ou seja, não sofre secagem; • Mais comuns utilizadas: Sílica, Cromita ou Zirconita; • Moldagem: • Manual = Peças de grande porte ou pequenos lotes; • Mecânica = Pequeno e grande porte com produção em série; • Impacto = Queda livre, impactando e comprimindo a areia (repetição); • Compressão = Prensa pneumática ou hidráulica; • Compressão vibratória = Aplica-se vibração junto com pressão; ESTÁCIO Areias de Fundição Tipos de Areia – por composição • Sílica (SiO2); • Cromita (FeOCR2O3) – utilizada em peças pequenas devido a sua alta condutividade térmica; • Zirconita (Silicato de Zircônio - ZrO2SiO2) • Areia de base Olivina • Forsterita (2MgO SiO2) e Faialita (2FeO SiO2) • Areia base Chamote • Entre outras... ESTÁCIO Areias de Fundição Areia de Sílica (SiO2) • As areias de sílica são constituídas praticamente por quartzo, cuja densidade é 2,65 kN/m³ e cujo ponto de fusão é de 1726° C; • Vantagens: • É obtida com baixo teor de impureza; • Abundância de silício na crosta terrestre e facilidade de purificação; • Muito mais barata; • Desvantagens: • Tem uma elevada expansão térmica; • Tem reatividade com alguns metais e ligas; • Pode causar silicose (doença respiratória por inalação de partículas finas). ESTÁCIO Areias de Fundição Areia de Cromita (FeOCr2O3) • O mineral Cromita contém 68% de Cr2O3 e 32% de FeO; • Vantagens: • É a mais refratária entre as areias mais utilizadas; • Alto ponto de fusão (cerca de 2180 °C); • Comportamento químico neutro; • Desvantagens: • Existem poucos locais de obtenção desta areia no mundo; • É mais cara que a de Sílica. ESTÁCIO Areias de Fundição Areia de Zirconita (ZrO2SiO2) • O mineral puro contém 67,2% de óxido de zircônio e 32,8% de óxido de silício; • Seu ponto de fusão é de 2550°C e sua densidade 4,7 kN/m³. • Vantagens: • É bem refratária; • Menor expansão térmica entre as areias mais utilizadas; • Menor reatividade com outros metais (Fe principalmente); • Desvantagens: • É mais cara (pouca disponibilidade); • Alta densidade – maior gasto para cada molde. ESTÁCIO Areias de Fundição Areia de Olivina (Forsterita 2MgO SiO2 + Faialita 2FeO SiO2) • Constituída essencialmente por ortossilicato de magnésio e ferro; • As mais comuns são verde-oliva (denominação); • Vantagens: • Propriedades intermediárias comparadas aos outros tipos de areia; • Não apresenta problema de pneumoconiose (silicose). • Desvantagens: • Propriedades médias; • Menor refratariedade entre as mais utilizadas; • Material frágil; ESTÁCIO Areias de Fundição Areia de Chamote • Feita a partir da britagem de blocos sinterizados de argilas específicas ou cadinhos e tijolos refratários; • Vantagens: • Boa alternativa à sílica para fundir grandes peças em aço ou FoFo; • Diminui o risco de ocorrência de defeitos devidos à expansão; • Desvantagens: • Necessidade de uma argila compatível (argila refratária); • Deixam a desejar na difusividade térmica, devido à baixa densidade e à baixa condutividade dos grãos. ESTÁCIO Areias de Fundição Tipos de Areia - Geral • Areia Verde • É a areia mais barata e mais utilizada nos processos de fundição por gravidade; • Nome = umidade (Ex: madeira úmida = madeira verde); • Embora toda areia aglomerada com argila seja moldada no estado úmido, costuma-se usar o termo moldagem em areia verde quando os moldes não sofrem secagem antes do vazamento; • Tratamento com CO2 pode ser feito em areia verde para o endurecimento do molde. ESTÁCIO Areias de Fundição Tipos de Areia - Geral • Areia Seca • Este tipo de areia pode ser: semissintética ou sintética; • No processo de fundição passa por secagem (molde mais rígido); • Denominações: • Moldes de areia estufada (secagem é feita em estufa); • Moldes secos ao ar (secagem superficial por evaporação); • Moldes secos a chama ou com ar aquecido (secagem superficial por aquecimento). ESTÁCIO Areias de Fundição Tipos de Areia - Geral • Areia Cimento • Baseada em areia siliconada, cimento Portland e água; • Possui bom acabamento e é muito utilizada em peças de grande porte. • Areia de Macho • É uma areia que contém óleos (linhaça), elementos orgânicos e bentonita; • Necessita de secagem em estufas. • Areia para Shell Molding • Mistura de areia e resina sintética (aglomerante); • Tem o melhor acabamento entre os processos que envolvem areia; • Necessita de secagem em estufas. ESTÁCIO Areias de Fundição Areias Naturais e Sintéticas • Areias naturais ocorrem em depósitos naturais originados da decomposição de arenitos de cimento argiloso ou da alteração de rochas feldspáticas; • Portanto, em seu estado natural, elas contêm dois dos constituintes básicos de uma areia de moldagem: areia e argila; • Basta adicionar água; • Areia sintética = mistura-se artificialmente os constituintes básicos isoladamente com eventuais aditivos; • Areia semissintética = modificações nas areias naturais, por adições de materiais constituintes básicos (areia ou argila) para corrigir ou melhorar as suas propriedades; ESTÁCIO Areias de Fundição Classificação • A forma dos grãos de uma areia pode ser expressa através do seu coeficiente de angularidade (“arredondada”, “sub-angular”, “angular” e “agrupada”). ESTÁCIO Areias de Fundição Módulo de Finura • Características geométricas dos grãos de areia: • Tamanho médio dos grãos; • Distribuição granulométrica; • Forma e textura dos grãos; • O tamanho médio dos grãos é obtido a partir da distribuição granulométrica e corresponde à média ponderada dos tamanhos observados; • Na realidade, para exprimir o tamanho médio de grãos de uma areia, utiliza-se o Módulo de Finura, que é uma aproximação desse conceito ESTÁCIO Areias de Fundição Módulo de Finura • Soma das porcentagens retidas acumuladas em massa de um agregado, nas peneiras da série normal, dividida por 100. • Método par a determinação do módulo de Finura: • O equipamento consiste em um jogo de peneiras, uma balança de precisão e um vibrador mecânico; 1. Pesar 100 g de areia completamente seca; 2. Colocar a amostra na peneira superior de malhas mais grossas e fazer vibrar o conjunto por 15 minutos; 3. Desmontar as peneiras do vibrador, começando da peneira superior, e pesar a quantidade de areia que permaneceu nas peneiras; 4. Anotar as quantidades pesadas em uma tabela; ESTÁCIO Areias de Fundição Módulo de Finura ESTÁCIO
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