APOSTILA_11_-_PROCESSO_DE_FUND

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CURSO:ENGENHARIA DE PRODUÇÃO
DISCIPLINA: TECNOLOGIA DOS PROCESSOS DE PRODUÇÃO
Prof. Ricardo Célio Ano:2012
AULA 1 - PROCESSO DE MANUFATURA MECÂNICA 
MANUFATURA DEFINIÇÃO: O termo Manufatura é o resultado da união de duas palavras Manus (Mão) e Factus (Fazer). Fazer a mão.Esta era uma expressão de métodos manuais usados no processo de produção, os quais remontam da Inglaterra pela palavra “Manufacture” primeiramente usada no ano de 1567.
Consiste na aplicação de métodos físicos e químicos para alterar a geometria, propriedades ou aparência de uma determinada matéria prima resultando na produção de partes de um produto ou montagem de partes múltiplas até fabricar determinado produto.
A manufatura acrescenta valor ao material através da alteração de sua forma e/ou propriedades ou também pela combinação com outros materiais que foram também de alguma forma alterados. A manufatura é o resultado do processo de transformação de materiais em itens de grande valor por meio de um ou mais processos e por operações de montagem.
 
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO DE PEÇAS:
Fundição;
Conformação e Modelagem (Forming and Shaping);
Processo de remoção de material;
Usinagem;
União;
Acabamento.
FUNDIÇÃO
DEFINIÇÃO DE FUNDIÇÃO: É um processo de fabricação onde um determinado metal ou liga metálica, após ser transformado para o estado líquido, é vazado em um molde com formato e medidas correspondentes aos da peça a ser produzida. 
A peça produzida por fundição pode ter as formas e dimensões definitivas bem como forma de acabamento ou não. Em muitos casos após a fundição, a peça é usinada para serem feitos ajustes dimensionais ou mesmo conformada mecanicamente (por exemplo, ser forjada), para que as formas e dimensões finais sejam obtidas. 
 
São infinitas as possibilidades de fabricação de peças no uso deste processo. Os mais simples formatos que se pode fabricar com o processo de fundição são:
LINGOTES – Possuem um formato muito singular (semelhante a barra de chocolate), são as matéria-primas de muitos processos posteriores ao processo de fundição, Injeção de Metais, Refusão de Metais, Fundição em Areia, são alguns exemplos. Podem ter diversos tamanhos e cada tamanho possui um peso determinado, que podendo variar de poucos quilos (5Kg), até toneladas.
	Lingotes
	
	
	
TARUGOS - Possuem um formato cilíndrico, com vários diâmetros (por exemplo, 2, 3, 4, 6 ou mais polegadas) e diversos comprimentos, (por exemplo 500 mm, 1000 mm, 3000 mm, 6000 mm, ou mais). 
São as matérias-primas base do processo de extrusão, por exemplo, mas também pode ser usinado ou utilizado em outros processos de fabricação. Comumente também é chamado de Billet.
	Tarugos
	
	
	
PLACAS - Apresentam formato retangular e são utilizadas nos processos de laminação de chapas e folhas, por exemplo.
	Placas
	��
	��
	
É um tipo de processo que proporciona a confecção de peças com elevada complexidade, podendo apresentar furos cilíndricos, furos cônicos, furos retangulares, paredes grossas e delgadas ao mesmo tempo, com outras peças insertadas, com partes diferentes, com partes ocas ou vazios internos, permitindo uma enorme variedade de opções e possibilidades e para as mais variadas aplicações.
É considerado um processo apurado cheio de detalhes técnicos, que envolve engenharia apurada e química avançada, onde o menor descuido pode condenar um lote inteiro de produção.
PRINCIPAIS PROCESSOS PRODUTIVOS DE FUNDIÇÃO
Fundição em Areia (processo mais conhecido), 
Fundição em Moldes Permanentes (Coquilhas),  
Fundição Sob-Pressão (injeção de metais - die casting), 
Fundição por Centrifugação (Tubos Fundidos),  
Fundição de Precisão (Microfusão, Cera Perdida ou Investment Casting), 
Fundição por Moldagem (em Gesso, Silicone, ou outro), 
Fundição em Casca (Shell Molding),
Outros.
.
FATORES DETERMINANTES PARA A ESCOLHA DO PROCESSO
peso da peça,  
metal base envolvido (por exemplo, se ferrosos ou não-ferrosos), 
liga de determinado metal, 
características metal-mecânicas exigidas, 
acabamento superficial desejado,  
espessuras mínimas e máximas de cada parte ou parede da peça, 
tolerâncias dimensionais exigidas,  
ângulos desejados,  
matrizes, ferramentas, moldes e/ou modelos necessários, 
tamanho da peça, 
formato geral da peça, 
quantidade de peças que serão produzidas, 
capacidade de repetibilidade das peças, 
custos operacionais envolvidos no processo escolhido, 
dentre outros fatores complementares
EXERCÍCIO 1: PESQUISA DO ALUNO: Valor 0,25pt.
- Divisão da turma em grupos para pesquisa sobre os tipos processos de Fundição e a influência dos fatores determinantes listados acima, que influenciam na escolha do processo adequado.
Os grupos apresentarão na próxima aula o resultado de sua pesquisa, numa interação entre colegas e professor. Após apresentação e consenso o material ficará disponibilizado para estudo.
O processo de Fundição possui algumas vantagens em relação a outros processos de fabricação, são elas:
produção de peças complexas e com cavidade internas,
produção de peças muito grandes.
A desvantagem é que as propriedades mecânicas de peças fundidas geralmente são inferiores às propriedades de peças conformadas mecanicamente, além do que, durante o processo de solidificação, pode haver a formação de porosidade. O processo de fundição envolve as seguintes fases:
Desenho da peça;
Projeto do modelo;
Confecção do modelo;
Fusão do metal ou liga;
Vazamento em um molde;
Solidificação da peça;
Remoção do metal ou liga solidificado do molde;
Limpeza ou rebarbação;
Controle de Qualidade.
Os fatores que devem ser considerado para se escolher adequadamente o processo de fabricação são: 
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.
	
 PEÇAS PRODUZIDAS POR FUNDIÇÃO 
O material com o qual vai ser produzida a peça no processo de fundição parte do estado líquido. Logo aspectos relacionados com a solidificação de metais e ligas, contração e solidificação, estrutura dendríica, tensões de resfriamento devem ser considerados. 
Esses aspectos são 
SOLIDIFICAÇÃO DE METAIS E LIGAS
Etapas do processo de fundição:
1. Fusão do metal ou liga. 
2. Vazamento em um molde. 
3.Solidificação da peça. 
4. Remoção do metal ou liga solidificado do molde.
Algumas considerações importantes devem ser feitas com respeito ao escoamento do metal líquido na cavidade do molde, o qual é influenciado pela temperatura de vazamento; taxa de resfriamento; fluidez; existência de turbulência; contração de solidificação; transferência de calor no molde; características do lingote (ou molde); que dependem do processo de fundição. 
Tipos de estruturas de grãos que podem se formar durante a solidificação de lingotes. Normalmente a estrutura de solidificação é dendrítica. a) Metais puros, b)Soluções sólidas c) Adição de inoculantes.
EXERCÍCIO 2: PESQUISA DO ALUNO: Valor 0,25pt.
1)Pesquisa em grupo: Durante o processo de Fundição ocorre a formação da estrutura dendrítica. Definir esta estrutura e explicar como se dá a sua formação, destacar possíveis problemas originados na peças, como conseqüência de uma formação dendrítica inadequada.
TEMPERATURA DE VAZAMENTO
Um metal apresenta uma temperatura de fusão bem definida, iniciando e terminando o processo de solidificação em uma temperatura bem determinada. Por outro lado, as ligas apresentam uma temperatura onde o processo de solidificação se inicia e uma temperatura onde termina esse processo. 
Dentro da faixa de temperaturas em que ocorre a solidificação para uma liga existe sempre uma mistura de sólido e líquido.
A temperatura de vazamento deve estar sempre acima da temperatura onde existem100% de líquido (superaquecimento). O vazamento, no caso de ligas, dentro de uma faixa de temperaturas onde se tem sólido e líquido prejudica o preenchimento completo do molde.
TAXA DE RESFRIAMENTO
A taxa de resfriamento tem efeito no desenvolvimento da estrutura do fundido.O critério que descreve a cinética da interface sólido-líquido é dado por G/R, onde G é o gradiente térmico e R é a taxa que a interface sólido-líquido se movimenta. 
Valores típicos de G são 102 a 103 K/m e para R valores que vão de 10-4 a 10-3 m/s.
Estruturas dendríticas apresentam valores de G/R entre 105 e 107. Já para as frentes planas de solidificação, estes valores estão entre 1010 e 1012.
Frentes de solidificação a) dendrítica colunar, b ) dentrítica equiaxial, c)quiaxial
.
FLUIDEZ
A capacidade que o metal líquido tem de preencher as cavidades do molde é chamada de fluidez, a qual depende de características do metal e de parâmetros utilizados na fundição. No que se refere ao metal, a fluidez depende da viscosidade, tensão superficial, inclusões e padrão de solidificação da liga. No que se refere aos parâmetros de fundição, a fluidez depende do projeto do molde, material do molde e de seu acabamento superficial, grau de superaquecimento, taxa de vazamento e transferência de calor. 
CARACTERÍSTICAS DO ESCOAMENTO
O escoamento de metais e ligas líquidos superaquecidos é semelhante entre si e semelhante ao da água. É importante que o sistema de canais seja projetado de forma a reduzir a turbulência. Isso pode ser quantificado pelo número de Reynolds (Re=V.d/v), onde “V” é a velocidade do fluxo, “d” é o diâmetro hidráulico do canal e “v” é a viscosidade cinemática do líquido, que é dada pela viscosidade dinâmica dividida pela densidade do líquido. O valor de d é dado por perímetro da seção transversal:
(4 x área da seção transversal do canal ) : perímetro da seção transversal. 
Para Re até aproximadamente 2000 o fluxo é laminar. Para valores de Re entre 2000 e 20000 o fluxo apresenta uma mistura entre laminar e turbulento e acima de 20000, o fluxo é severamente turbulento. Para a maioria dos casos reais o fluxo se aproxima do turbulento.
SISTEMA POR ONDE O METAL LÍQUIDO FLUI DURANTE O PROCESSO DE FUNDIÇÃO
Funil de vazamento (pouring cup), massalote ou alimentador (riser), canal de alimentação (runner), canal de descida (sprue), canal de entrada (gate), fundido (casting).
EXERCÍCIO 3: PESQUISA DO ALUNO: Valor 0,25pt.
1) Se durante o processo de fundição o fluxo se aproximar do turbulento? Explique,
o que acontece do ponto de vista químico com o metal líquido e quais as implicações para a qualidade das peças fundidas.
CONTRAÇÃO DE SOLIDIFICAÇÃO.
A maioria dos metais comercialmente utilizados apresenta contração durante o processo de solidificação. Isso deve ser levado em conta na fabricação do molde. Para compensar essa contração existe no projeto do molde a adição de um recipiente para o metal líquido chamado de massalote. Esse massalote é a última parte a se solidificar e concentra a contração de solidificação. O massalote é retirado da peça após a solidificação e desmoldagem, sendo sucateado. 
Fenômeno de contração durante a solidificação:
VARIAÇÃO DE VOLUME DURANTE A SOLIDIFICAÇÃO
	METAL
	VARIAÇÃO DE VOLUME
	Alumínio
	-6,0
	Zinco
	-5,1
	Ouro
	-4,2
	Cobre
	-4,15
	Magnésio
	-4,1
	Cádmio
	-4,0
	Ferro
	-3,0
	Estanho
	-2,3
	Antimônio
	+0,95
	Gálio
	+3,2
	Bismuto
	+3,35
	Germânio
	+5,0
TRANSFERÊNCIA DE CALOR NO MOLDE
Fatores como fluidez e taxa de resfriamento dependem da temperatura e portanto também da transferência de calor do molde. 
OBS: Paredes muito finas não são preenchidas pelo metal líquido no molde.
TEMPO DE SOLIDIFICAÇÃO
O tempo de solidificação da peça no molde é função do volume do fundido e da sua área superficial e é dado por: Tempo de solidificação = C( volume/área superficial)2
Onde: C é uma constante que depende do molde, das propriedades do metal e da temperatura.
DEFEITOS EM PEÇAS FUNDIDAS
Existem vários defeitos ou mesmo efeitos indesejáveis que podem ocorrer em peças
fundidas. Dentre eles estão:
Crescimento dendrítico inadequado. 
	
2. Ocorrência de contração de volume com a formação de rechupe (vazio ou chupagem). 
3. Não preenchimento completo do molde. 
4. Concentração de impurezas em algumas regiões. 
5. Presença de inclusões, que são não metálicos como SiO2 e MnO.
6. Porosidade formada no interior das peças.
EXERCÍCIO 4: PESQUISA DO ALUNO: Valor 0,25pt.
1) Pesquisa em grupo sobre os 6 tipos de defeitos observados em peças fundidas. Pesquisar como estes defeitos ocorrem e quais a medidas preventivas que devem ser tomadas para evitá-los.
TRABALHO EM GRUPO 1 DIVIDIDO EM 4 PARTES VALOR 0,25 CADA –TOTAL 1,0PONTO
FIM
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