Aula 2 4 - Estudo de Caso I - Prof Ivanilson

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Processos de Fabricação Mecânica I
Prof. Ivanilson Sousa da Costa
2020/2
ESTUDO DE CASO I
Fabricação de eixo comando de válvulas
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Estudo de caso
Eixo comando de válvulas
 Principal componente de um conjunto mecânico responsável 
pela abertura e pelo fechamento das válvulas que controlam a 
entrada e a saída de gases nas câmaras de combustão interna de 
um motor. Posicionado na parte superior do motor.
 A abertura e fechamento das válvulas ocorrem pela rotação de 
“ressaltos” existentes no eixo; esses “ressaltos” são chamados de 
cames.
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Motor a combustão interna (6 cilindros)
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Eixo comando de válvulas
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Estudo de caso
Características e propriedades exigidas
1) Resistência mecânica e resistência à fadiga
 O eixo gira em altas rotações (de 500 a 3000 rpm em carros 
comuns) sendo submetido a carregamentos cíclicos de tração e 
compressão devido às forças perpendiculares ao eixo, exercidas 
pelas válvulas sobre os cames.
 O diâmetro do eixo é projetado para garantir que o limite de 
resistência á fadiga não seja atingido durante a sua vida. 
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Estudo de caso
 O material deve possuir resistência e tenacidade suficientes 
sem, contudo, tornar o componente volumoso e, assim, pesado.
 Quanto maior a resistência mecânica do material, maior é a 
carga que ele suporta por unidade de área. Quanto maior a 
resistência mecânica, menos espesso pode ser o componente.
 Tenacidade corresponde à energia que o material absorve por 
unidade de volume antes de se romper. 
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Estudo de caso
2) Resistência ao desgaste (dureza)
 Para que as válvulas se abram, os cames devem exercer força 
suficiente para vencer as molas que as mantêm fechadas. Assim, 
as pressões de contato na superfície dos cames chegam a 
ultrapassar 1 GPa, exigindo alta dureza e resistência ao 
desgaste.
 Por outro lado, algumas regiões do eixo não sofrem desgaste 
acentuado, mas exigem precisão dimensional e, portanto, não 
podem ser muito duras para facilitar a usinagem e acabamento.
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Estudo de caso
3) Amortecimento de vibrações
 O conjunto do comando de válvulas, incluindo o eixo, devem 
amortecer adequadamente fortes vibrações decorrentes do 
funcionamento do motor; caso contrário, ele pode gerar ruído 
excessivo durante o funcionamento.
 O material do eixo deve ser capaz de dissipar a energia 
mecânica absorvida na forma de calor.
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Estudo de caso
Em suma, o material deve apresentar:
 Resistência mecânica, tenacidade e amortecimento de vibrações 
no corpo do eixo.
 Alta dureza na superfície dos cames.
 Baixa dureza nas regiões que exigem, no processo de fabricação, 
fácil usinagem.
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Estudo de caso
Material
 A escolha do material e do processo de fabricação devem ser 
realizados simultaneamente. Além de atender os requisitos 
mecânicos do componente, deseja-se que o processo de 
fabricação seja produtivo e a um custo baixo.
 Materiais relativamente baratos e de produção em escala, nesse 
caso, são os ferros fundidos. Há várias classes desses materiais 
que podem atender bem as exigências de resistência, dureza e 
tenacidade.
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Estudo de caso
 Os ferros fundidos que apresentam grafita em sua 
microestrutura absorvem muito bem vibrações mecânicas e são 
de fácil usinagem.
 As peças de ferro fundido são produzidas por processos de 
fundição que, sendo adequadamente projetados, podem utilizar 
moldagem barata e altamente produtiva.
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Estudo de caso
Ferros fundidos
 Ligas baseadas em ferro e carbono, contendo de 3 a 4,5 %p de 
carbono. O silício é o elemento grafitizante (teores > 1 %).
 O aumento da taxa de resfriamento dificulta a difusão do 
carbono e favorece a formação de cementita.
 Em geral, quanto maior a concentração de silício, menores taxas 
de resfriamento são necessárias para se produzir grafita no 
lugar de cementita.
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Ferros 
fundidos 
cinzentos
Aços
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Fe + 1-3 % Si + 3-4,5 % C
Alta taxa de 
resfriamento
Moderada taxa 
de resfriamento
Baixa taxa de 
resfriamento
Adição de 
Mg ou Ce
Moderada taxa 
de resfriamento
Baixa taxa de 
resfriamento
Ferro fundido 
branco
Ferro fundido 
cinzento perlítico
Ferro fundido 
cinzento ferrítico
Ferro fundido 
nodular perlítico
Ferro fundido 
nodular ferrítico
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Estudo de caso
Estratégia de fabricação
 A alteração controlada da taxa de resfriamento dos diferentes 
locais produzirá microestruturas adequadas e diferentes, sem a 
necessidade de tratamentos térmicos ou superficiais posteriores 
que aumentariam o custo do processo.
 Para o corpo do eixo deseja-se uma microestrutura tenaz, que 
amorteça vibrações e de fácil usinagem; nesse caso, um ferro 
fundido cinzento pode atender os requisitos.
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Estudo de caso
 Para casos em que se exige maior tenacidade, como em motores 
para caminhões, pode-se utilizar o ferro fundido nodular. A 
grafita em forma globular concentra menos tensões mecânicas 
do que as extremidades dos veios de grafita do ferro fundido 
cinzento.
 Para ambos os casos, a microestrutura muda drasticamente se o 
material for resfriado rapidamente (produto “coquilhado”), 
dando origem ao ferro fundido branco (duro e frágil).
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Estudo de caso
 Para produzir uma microestrutura tenaz utiliza-se um molde 
com baixo coeficiente de transferência de calor, como os moldes 
em areia, que são baratos e cumprem bem essa necessidade. A 
produção dos moldes fica bastante atraente do ponto de vista 
econômico quando se utiliza a moldagem automatizada.
 Para produzir uma microestrutura dura e resistente ao desgaste, 
utilizam-se coquilhas (blocos de aço) encaixadas dentro do 
molde de areia exatamente nessas regiões para que haja 
formação do ferro fundido branco.
20Kiminami; Castro; Oliveira (2013). Introdução aos Processos de Fabricação de Produtos Metálicos.
Composição e propriedades do ferro fundido SAE G4000d (Norma ASTM 159-83/2006)
Composição química 
(% em peso)
C: 3,1 – 3,6 %; Si: 1,95 – 2,4 %; Mn: 0,6 – 0,9 %; P: 0,1 % máx.; S: 0,15 % 
máx.; Cr: 0,85 – 1,25 %; Mo: 0,4 – 0,8 %; Ni: 0,2 – 0,45 % (opcional); Cu: 
residual; Fe: balanço
Microestrutura Perlita e veios de grafita (resfriamento lento – molde de areia)
Ledeburita e carbetos (resfriamento rápido – coquilha)
Resistência à tração 280 MPa (resfriamento lento – molde de areia)
Dureza 24 – 32 HRC (resfriamento lento – molde de areia)
> 50 HRC (resfriamento rápido – coquilha)
Estudo de caso
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Estudo de caso
Processo de fabricação
 Projeto do molde: facilidade de moldagem, linhas de partição e 
cálculo e posicionamento de canais de alimentação, massalotes 
e, nesse caso, coquilhas. Um único molde para produção de dois 
eixos.
 Geometria dos canais de vazamento é projetada para evitar 
turbulência excessiva na entrada e variação de velocidade ao 
longo do trajeto do metal líquido.
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Matérias-primas para os moldes Projeto da peça e especificações Matérias-primas para o 
ferro fundido
Areia preparada Placa de moldagem
Molde
Metal líquido
Peça acabada
Projeto do molde
Conjunto fundido
Dosagem e 
mistura
Simulação da 
solidificação
Cálculo de canais 
e massalotes
Usinagem
Moldagem
Fusão do metal 
e controle da 
composiçãoColocação das 
coquilhas no molde
Vazamento e 
solidificação
Desmoldagem
Corte de canais e 
massalotes, jateamento
Usinagem e 
retificação
23Kiminami; Castro; Oliveira (2013). Introdução aos Processos de Fabricação de Produtos Metálicos.
Estudo de caso
PeçaPeça
Canal de alimentação
Massalote
Bacia de vazamento
 Cavidade do molde de areia para produção do eixo
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Simulação de vazamento
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Vazamento
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Estudo de caso
 O molde pode ser confeccionado em areia verde, nesse caso, por 
meio de modelos bipartidos em placas de moldagem que 
permitem a prensagem e produção automatizada.
 As placas são confeccionadas em aço por processos de 
usinagem, geralmente por comando numérico (CNC) a partir de 
modelos tridimensionais produzidos por projetistas.
 Normalmente, os moldes em aço sofrem tratamentos 
superficiais após a usinagem a fim de aumentar sua resistência 
ao desgaste devido ao atrito com as partículas de areia.
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Estudo de caso
 O material do molde consiste de areia verde. Tanto a 
granulometria quanto as proporções de bentonita, carvão e água 
são rigidamente controlados. Os moldes que foram usados são 
reciclados no processo permitindo uma grande economia de 
matérias-primas.
 Com os moldes de areia prontos encaixa-se as coquilhas em seu 
interior e realiza-se o vazamento do metal líquido, previamente 
preparado por meio da fusão em grandes fornos de indução.
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Estudo de caso
 Depois do vazamento e fim da solidificação das peças ocorre a 
desmoldagem pela quebra dos moldes de areia. As peças são 
separadas dos massalotes e canais de alimentação recebendo 
um acabamento com jatos de granalha de aço.
 As regiões do eixo que são apoiadas no bloco do motor 
(mancais) e exigem precisão dimensional são usinadas. Devido 
à sua alta dureza os cames são retificados.
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Desmoldagem
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Defeitos na fundição
Rechupe em massalote
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Rebarbação
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Desempeno
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Estudo de caso
 Variação microestrutural da superfície do came para o interior 
do eixo do comando de válvulas
Kiminami; Castro; Oliveira (2013). Introdução aos Processos de Fabricação de Produtos Metálicos.
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Estudo de caso
 Variação da dureza do came para o interior do eixo do comando 
de válvulas
Watanabe; Ferreira; Porto. Eixo comando de válvulas. 
Processos de Fabricação Mecânica I
Prof. Ivanilson Sousa da Costa
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ESTUDO DE CASO I
Fabricação de eixo comando de válvulas
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