Fundição (fundição por injeção)

Fundição (fundição por injeção)

Fundição consiste em liquefazer o metal e em seguida lançar o metal fundido em um molde, fazendo assim, a peça desejada. O processo de fundição é muito econômico e também permite obter com facilidade peças de geometrias complexas.

A fundição é muito utilizada por indústrias, pois com um mesmo molde podem se fazer inúmeras peças. A indústria automobilística é um exemplo a ser citado, ela utiliza desse processo para fabricar muitas de suas peças de carro, por exemplo, o bloco de motor de um carro. Como a indústria automobilística necessita de peças em grandes quantidades, o processo de fundição pode ser considerado o mais indicado para suprir essa necessidade.

As vantagens de se utilizar a fundição são:

- o processo permite a produção em massa de peças com difíceis geometrias;

- Obtenção de dimensões mais precisas;

- Processo Econômico;

- O controle mais preciso de das propriedades mecânicas a serem utilizadas nas peças;

- Dependendo da peça não há a necessidade de usinar a peça posteriormente;

- Velocidade de produção.

O processo de fundição estudado por estre grupo foi a fundição por injeção ( ou Fundição sob- pressão).

A fundição por injeção não é muito diferente dos outros tipos de processos de fundição, ela basicamente consiste em injetar o metal liquido contido em uma câmara de injeção para a cavidade de um molde, por meio de um pistão o qual joga a pressão para injetar o metal.

O processo de fundição por injeção começa como qualquer outro processo de fundição, ele começa em aquecer o metal liquido, no caso o metal utilizado pela empresa MAGAL foi o alumínio, depois de aquecido o metal que no cadinho (parece uma panela) é feita a retirada das impurezas do metal liquido. O metal liquido é colocado em uma maquina que parece um funil e normalmente essa máquina contém uma espécie de peneira para filtrar as grandes impurezas do metal liquido, e em seguida é coloca-se o nitrogênio para as demais impurezas subirem e serem retiradas por um técnico.

Depois de todo o processo de liquefação do metal, ocorrerá o processo de fundição por injeção.

Existem dois processos de fundição sobre pressão, por injeção câmara fria e injeção câmara quente.

A principal diferença entre os dois conceitos está na posição do cilindro de injeção que no processo em câmara quente fica na vertical e está conectado ao forno, permitindo a injeção direta do metal no interior do molde, já no processo de câmara fria o cilindro de injeção fica na posição horizontal e o metal é dosado na bucha de injeção para ser injetado.

“O processo de fundição sob pressão é um bastante complexo e divide-se em diversas etapas que compõe o ciclo de fabricação das peças. As operações principais estão descritas abaixo bem como um breve detalhamento de cada uma delas:

Fechamento do molde e cursores

O Fechamento do molde é realizado pela máquina injetora que possui um cilindro exclusivo para movimentar a placa móvel, já o fechamento dos cursores (gavetas) pode ser realizado por acionamento mecânico do próprio molde ou através de cilindros hidráulicos que são comandados pela máquina.

Dosagem do metal na câmara de injeção

Após o travamento da injetora, a câmara de injeção é preenchida pelo metal líquido, sendo que as formas mais comuns de se dosar o metal são: dosagem manual com conchas feita pelo operador, ou automatizada, sendo executada por alimentadores automáticos articulados ou lineares, equipados com conchas que carregam o metal de um forno de espera ou mesmo fornos dosadores que dosam o metal diretamente através de calhas até o orifício da câmara de injeção. Preenchida a câmara de injeção por metal líquido pode-se realizar a injeção.

Injeção

A injeção é a parte mais importante do ciclo, pois através dela acontece o objetivo principal do processo. O movimento de injeção é dividido em três fases teóricas, apesar de as máquinas injetoras terem recursos para fragmentar o processo em diversas fases.

PRIMEIRA FASE

Após o fechamento do molde e dosagem do metal líquido na câmara de injeção, o pistão se desloca em baixa velocidade conduzindo o material até a seção de ataque, que é o ponto teórico ideal para iniciar-se o preenchimento das cavidades. Esse deslocamento na primeira fase acontece em baixas velocidades para evitar turbulência e consequente aprisionamento de ar na câmara de injeção durante o movimento.

SEGUNDA FASE

A segunda fase de injeção consiste no preenchimento rápido das peças, sendo que na transição da primeira para a segunda fase ocorre um aumento significativo de velocidade do cilindro de injeção. Devido a grande extração de calor proporcionada pelo molde metálico e as espessuras de parede finas e geometrias complexas que normalmente se aplicam aos produtos fundidos sob pressão, se faz necessário este preenchimento rápido para garantir a perfeita alimentação das peças. O tempo de enchimento é uma característica muito importante e depende diretamente da espessura de parede do fundido, tendo relação também com outras variáveis, como; fluidez da liga, temperatura do molde, entre outros.

Tabela de tempo de enchimento em função da espessura de parede

Para se atingir velocidades elevadas de injeção, as injetoras são equipadas com acumuladores de pressão, carregados quase sempre com nitrogênio. No momento exato do início da segunda fase válvulas hidráulicas de resposta rápida são acionadas permitindo a descompressão dos acumuladores, proporcionando a velocidade de injeção necessária para atender os rápidos tempos de enchimento.

TERCEIRA FASE

Na terceira fase de injeção acontece a compactação do metal que foi preenchido no molde, esse momento de transição da segunda para a terceira fase é conhecido como comutação. As ligas durante a solidificação sofrem uma contração volumétrica que acontece devido o aumento de densidade. Essa contração volumétrica varia de acordo com a composição química mas pode variar de 3 a 7%. A contração volumétrica certamente acarreta em porosidades de solidificação, mais conhecidos como rechupes, afetando principalmente o desempenho de componentes com requisitos de estanqueidade. A terceira fase de injeção é a responsável pela alimentação dos vazios causados durante a solidificação do metal. Para atender esta necessidade as injetoras são equipadas com dispositivos hidráulicos multiplicadores de pressão, permitindo utilizar níveis de pressão de compactação mais elevados do que os proporcionados pela bomba hidráulica dos equipamentos.

Solidificação

A solidificação do metal no processo de fundição sob pressão é rápida, pois a elevada extração de calor dos moldes metálicos e a pressão exercida pelo pistão de injeção acelera o processo de resfriamento. O projeto dos circuitos de refrigeração e a condição de utilização são fundamentais para retardar ao máximo a solidificação dos canais de alimentação e acelerar a solidificação das regiões de maior massa no produto, promovendo uma solidificação direcionada, minimizando assim o surgimento de rechupes.Outro fator importante é que normalmente a solidificação é um dos maiores tempos individuais do processo, elevando o tempo total do ciclo de fundição e reduzindo a produtividade. As máquinas injetoras mesmo em operações manuais garantem a repetibildade do tempo de solidificação através de controladores que estão incluídos no esquema elétrico do comando do equipamento

Abertura do molde e cursores

A abertura do molde é realizada pelo cilindro exclusivo da unidade de fechamento e é iniciado pela máquina logo após o término da solidificação. Em caso de moldes com cursores (gavetas), os mesmos abrem durante a abertura da máquina quando se utiliza acionamento mecânico ou após a abertura total da placa móvel em caso de cilindros hidráulicos.

Extração do tiro completo

A extração do tiro completo pode ser manual feita pelo operador ou automatizada, normalmente em máquinas de grande porte onde o peso dos fundidos é maior a extração manual é inviável devido as condições ergonômicas inadequadas para o operador. Em processos automatizados pode-se utilizar robôs extratores, manipuladores ou mesmo esteiras para remoção das peças do molde. As injetoras possuem um conjunto hidráulico exclusivo para extração das peças, este, deve ser conectado ao molde para permitir o acionamento da placa extratora do ferramental.

Lubrificação do molde

A lubrificação do molde é uma etapa fundamental para a garantia da qualidade de peças injetadas, devido a uma grande afinidade química entre ferro e alumínio, a cada ciclo é aplicado um desmoldante que evita aderência do alumínio líquido, ao ferro, presente em grande quantidade nos aços para trabalho a quente que são utilizados nos ferramentais e tem contato direto com o metal. A lubrificação quando praticada da maneira mais correta serve apenas para a formação da película desmoldadora e não para retirada de calor dos moldes. Esta etapa também é responsável por grande parte do tempo ciclo de injeção podendo levar a perdas de produtividade dependendo do sistema de aplicação, que pode ser realizado com pistolas manuais, ou automatizada através de robôs ou sistemas lineares. Aplicações automatizadas podem ser de 20 a 30% mais produtivas em relação à aplicação manual. Após a aplicação do desmoldante é fundamental a secagem dos excessos retirando a umidade do molde para evitar problemas de manchas e porosidade nas peças fundidas. Após a lubrificação e secagem do molde o ciclo recomeça para gerar mais uma peça fundida.

Desmoldantes

Os desmoldantes, também conhecidos com lubrificantes, são materiais fundamentais no processo de fundição sob pressão de ligas de alumínio, pois auxiliam na extração das peças da matriz evitando a adesão de metal no molde. O principal objetivo da aplicação do desmoldante é a formação de um filme isolante entre o aço das cavidades e o alumínio líquido.

Os principais agentes desmoldantes presentes na composição são:

  • Óleos

  • Ceras

  • Silicones

  • Outros

Estes materiais são denominados sólidos e normalmente estão diluídos em água, inicialmente a relações de 15 a 40%. Já em processo utilizam-se diluições de 1:30 até 1:200, dependendo da característica de cada desmoldante e também da complexidade das peças. Os sólidos são os responsáveis pela formação do filme protetor, e são conduzidos até a superfície do ferramental pela água em forma de spray. A grande dificuldade na aplicação do desmoldante é o rompimento da barreira térmica na superfície de contato, pois em altas temperaturas ocorre a evaporação das gotículas de água que conduzem os sólidos ao molde antes mesmo de tocarem a cavidade, sendo este fenômeno conhecido como efeito Leidenfrost.

Efeito Leidenfrost

O efeito Leidenfrost acontece quando a superfície do molde está em temperaturas acima de 250°C, portanto nestas faixas o filme de desmoldante não se forma ou sua espessura é muito fina, o que favorece a adesão de metal no molde. Para evitar esta limitação do processo é fundamental controlar a temperatura do ferramental com a utilização de refrigeração interna para evitar excessos de aplicação de desmoldante que implica em tempos de ciclo elevados e desperdícios de produto.

Sistemas de aplicação

Existem basicamente dois sistemas de aplicação de desmoldante, o manual que é feito pelo operador da injetora com pistolas específicas para esta operação, ou o sistema automatizado, onde são utilizados equipamentos específicos ou robôs com ferramentas de pulverização.

As vantagens da aplicação automática são amplamente maiores, onde podemos destacar as descritas abaixo:

  • Repetibilidade no processo de aplicação

  • Maior produtividade

  • Maior tecnologia de formação de spray

  • Maior controle do tempo de ciclo

O uso de elevadas pressões durante a solidificação das peças favorece a alimentação das contrações de solidificação através dos canais de enchimento. Esta característica permite a produção de peças isentas de porosidades, entretanto exige um projeto de canais que privilegie, ao mesmo tempo, o enchimento das peças e a alimentação das concentrações de solidificação.

Como todo processo de fundição, a injeção possui vantagens e desvantagens, onde podemos observar abaixo as limitações e os benefícios da utilização deste processo na produção de componentes diversos:

Vantagens Alta produtividade devido curtos tempos de ciclo comparado aos principais processos de fundição de ligas de alumínioElevadas propriedades mecânicas adquiridas na condição brutaProdução de componentes com espessuras de paredes extremamente finas (a partir de 1,0 mm)Acabamento superficial excelente, (near net shape), dispensando inclusive usinagem em alguns casosÓtima estabilidade dimensional dos fundidos

DesvantagensElevado custo dos ferramentaisLimitação em relação à geometria de peças (espessuras de parede)Não permite aplicação de tratamentos térmicos nas peças fundidas pelo processo convencional devido à presença de gases após a injeção, gerando precipitação na superfície e deformação dos produtosPraticamente impossível a soldagem a soldagem de componentes devido à presença de gases após a peça fundida.”

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