INFLUÊNCIA DA VELOCIDADE DE ENCHIMENTO SOBRE A … · Palavras chave: Fundição sob pressão,...

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CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 42201 INFLUÊNCIA DA VELOCIDADE DE ENCHIMENTO SOBRE A FORMAÇÃO DE DEFEITOS EM PEÇAS DE ALUMÍNIO: SIMULAÇÃO NUMÉRICA VS. RESULTADOS EXPERIMENTAIS Verran, G. O. (1); Rebello, M.A. (2); Oliveira, C. G. (1) Dr. Eng. DEM-CCT/UDESC; CTMa/IST-SOCIESC, Joinville/SC, Brasil [email protected] ; [email protected] (2) Msc. Eng. IST-SOCIESC, Joinville/SC, Brasil [email protected] (3) Eng. Mec. Ind. de Fundição Tupy, Joinville/SC, Brasil [email protected] Resumo – A utilização da simulação numérica como ferramenta de trabalho na engenharia de fundição está apresentando uma utilização crescente e cada vez mais eficiente na otimização de projetos e processos, entretanto até o presente existem poucos estudos relacionados com a avaliação da eficiência destes softwares em fundição sob pressão, onde os eventos enchimento da cavidade e solidificação da peça ocorrem sob condições totalmente diferentes daquelas encontradas nos processos por gravidade. Neste trabalho foi realizado um estudo comparativo entre os resultados da simulação do enchimento de uma peça fundida sob pressão usando a liga Al9Si3Cu, com as peças obtidas experimentalmente usando as mesmas condições de processamento. Foram obtidos diferentes lotes de peças usando velocidades distintas, com o objetivo de provocar a ocorrência de defeitos tipo solda fria e porosidades. A comparação entre os resultados obtidos nas simulações e as peças fundidas mostrou resultados que confirmam a capacidade do software de indicar a possível ocorrência de defeitos em função dos parâmetros de processo utilizados. Palavras chave: Fundição sob pressão, Simulação, Enchimento, Defeitos, Solda Fria. Abstract - Despite the increasing use of numerical simulation of general casting problems, and its well known efficiency, at the present it still exist relatively few studies on the efficiency of numerical methods to simulate pressure casting. In such processes, the events associated with the filling front and solidification take place under markedly different conditions from those found in gravity casting. This work presents a comparison between experimental and numerical results of pressure casting of Al6Si3Cu under the same conditions. Simulation was performed for several filling velocities in order to create conditions of defects to occur, such as cold shut and pin holes. The results show that, for the pressure casting conditions used, the software was able to predict correctly the occurrence of defects.
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  • CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CINCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, So Pedro - SP. Anais 42201

    INFLUNCIA DA VELOCIDADE DE ENCHIMENTO SOBRE A

    FORMAO DE DEFEITOS EM PEAS DE ALUMNIO:

    SIMULAO NUMRICA VS. RESULTADOS EXPERIMENTAIS

    Verran, G. O. (1); Rebello, M.A. (2); Oliveira, C. G.(1) Dr. Eng. DEM-CCT/UDESC; CTMa/IST-SOCIESC, Joinville/SC, Brasil

    [email protected] ; [email protected]

    (2) Msc. Eng. IST-SOCIESC, Joinville/SC, Brasil

    [email protected]

    (3) Eng. Mec. Ind. de Fundio Tupy, Joinville/SC, [email protected]

    Resumo A utilizao da simulao numrica como ferramenta de trabalho na engenharia de

    fundio est apresentando uma utilizao crescente e cada vez mais eficiente na otimizao de

    projetos e processos, entretanto at o presente existem poucos estudos relacionados com a avaliao

    da eficincia destes softwares em fundio sob presso, onde os eventos enchimento da cavidade e

    solidificao da pea ocorrem sob condies totalmente diferentes daquelas encontradas nos processos

    por gravidade. Neste trabalho foi realizado um estudo comparativo entre os resultados da simulao

    do enchimento de uma pea fundida sob presso usando a liga Al9Si3Cu, com as peas obtidas

    experimentalmente usando as mesmas condies de processamento. Foram obtidos diferentes lotes de

    peas usando velocidades distintas, com o objetivo de provocar a ocorrncia de defeitos tipo solda fria

    e porosidades. A comparao entre os resultados obtidos nas simulaes e as peas fundidas mostrou

    resultados que confirmam a capacidade do software de indicar a possvel ocorrncia de defeitos em

    funo dos parmetros de processo utilizados.

    Palavras chave: Fundio sob presso, Simulao, Enchimento, Defeitos, Solda Fria.

    Abstract - Despite the increasing use of numerical simulation of general casting problems, and its

    well known efficiency, at the present it still exist relatively few studies on the efficiency of numerical

    methods to simulate pressure casting. In such processes, the events associated with the filling front and

    solidification take place under markedly different conditions from those found in gravity casting. This

    work presents a comparison between experimental and numerical results of pressure casting of

    Al6Si3Cu under the same conditions. Simulation was performed for several filling velocities in order

    to create conditions of defects to occur, such as cold shut and pin holes. The results show that, for the

    pressure casting conditions used, the software was able to predict correctly the occurrence of defects.

  • CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CINCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, So Pedro - SP. Anais 42202

    Key-words: Pressure Die Casting, Simulation, Filling, Defects, Cold Shuts.

    1. Introduo

    Na simulao da fundio sob presso tem-se uma prvia do comportamento do metal

    fundido desde o preenchimento at a sua completa solidificao e extrao, incluindo

    condies de ciclo, tais como tempo de abertura e fechamento do molde, tempo para extrao

    e limpeza, nmero de ciclos e etc. Mas para que esta simulao corresponda ao que se passa

    em condies reais, o software de CAE deve estar apoiado em equaes e leis que regem

    todos os fenmenos envolvidos no processo, e desta forma as equaes so resolvidas de

    acordo com as condies de contorno que o operador impe, tais como a geometria da pea e

    os parmetros de fundio. Pode-se afirmar ento que tanto melhor ser o software de

    simulao quanto mais a soluo numrica, fornecida na simulao, se aproximar da soluo

    analtica das equaes fundamentais [1]. Esta diferena se d devido a complexidade das

    equaes fundamentais, fazendo-se necessrio algumas aproximaes e simplificaes, que

    dependendo da situao podem comprometer os resultados da simulao em questo.

    Na fundio sob presso a concepo da cmara de injeo e o mecanismo de

    alimentao da mesma, fazem com que quando ocorre o disparo boa quantidade de ar seja

    forada para dentro da cavidade, o que alm de tornar a regime mais turbulento, contribui

    para o aparecimento de porosidades. Alguns trabalhos tm sugerido a mudana desta

    concepo, propondo formas alternativas para a alimentao da cmara de injeo de forma

    no turbulenta [1]. A alta complexidade da cavidade favorece o regime turbulento de

    preenchimento do molde, que pode ser amenizada com o posicionamento adequado dos

    canais de ataque, alm de um perfil apropriado da zona de ataque, conforme estudo anterior

    [2]. A velocidade de injeo atua diretamente na forma de escoamento dentro da cavidade e

    indiretamente promove, de forma branda, a reduo da viscosidade da liga, pois quando o

    metal transferido da cmara de injeo para a cavidade forado a passar pelo ataque, e

    nesse ponto o fluxo metlico acelerado violentamente, promovendo o aquecimento do metal

    lquido em funo do forte cisalhamento. Birch [3] demonstrou que a velocidade no ataque

    no interfere no volume de porosidade, mas sim no tamanho e distribuio dos poros. Ou seja,

    o aumento da velocidade no ataque reduz o tamanho do poro e provoca sua disperso dentro

    da pea. O tempo de injeo juntamente com a velocidade de ataque, servem como ponto de

    partida para o clculo de outros parmetros, uma vez que interfere diretamente na

    temperatura da frente de enchimento, pois maiores tempos implicam em maior extrao de

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    calor do metal lquido e conseqente reduo de sua temperatura levando a incidncia de

    solda fria [4,5]. Neste trabalho proposto um estudo sobre a influncia da velocidade de

    injeo sobre a incidncia de defeitos tipo solda e porosidade, usando como ferramentas a

    observao experimental e a simulao via um software de CAE.

    2. MetodologiaNo desenvolvimento experimental foi utilizada uma pea com caractersticas

    adequadas ao processo de fundio sob presso, injetada usando uma mquina com recursos

    para controle de parmetros de processo, de forma a alimentar o software e tentar simular

    as mesmas condies. A pea escolhida, em liga AlSi9Cu3, possui massa de 1,05 kg e

    dimenses conforme a Figura 1.

    As amostras foram fundidas em injetora de cmara fria com fora de fechamento de 850

    toneladas fora, a temperatura do metal lquido no forno de espera se encontrava a 670C e a

    alimentao da cmara de injeo foi feita por brao mecnico. Foram injetadas algumas

    peas, para aquecimento do molde, e a cada ciclo, a temperatura na superfcie da cavidade foi

    aferida atravs de um pirmetro a laser, segundos antes do fechamento do molde, at atingir a

    temperatura de regime de trabalho em 255C, na superfcie da cavidade. As amostras foram

    produzidas em 4 lotes de 5 peas, sendo cada lote, com variaes na velocidade de injeo,

    tendo sido utilizadas velocidades de 1,05 1,75 2,45 e 3,15 m/s. A pea mais

    representativa de cada lote de cinco peas foi fotografada e tambm submetida ao exame de

    raio X de modo a evidenciar, respectivamente, os defeitos de solda fria e porosidade. Para

    anlise dos resultados foram realizados mapeamentos das regies com incidncia de defeitos

    tipo solda fria. Para a simulao os dados de processo foram alimentados no mdulo HPDC

    (high pressure die casting) do Magmasoft, onde foi construda uma malha com 3156736

    elementos usando um tempo de processamento numrico de 36092 s para cada simulao.

    29 327

    169

    Figura 1: Pea usada no estudo.

    mmEspessura de paredes e nervuras: 3,0 mm

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    Para dar mais fidelidade s condies de processo, 8 pontos do molde foram estrategicamente

    escolhidos para o controle da temperatura. Assim, para colocar o molde em temperatura de

    regime de trabalho, foram necessrios 5 ciclos usando cada condio de velocidade.

    3. Resultados e Discusso

    Os resultados da simulao so apresentados na forma de evoluo do enchimento

    para as velocidades de 1,05 e 3,15m/s, na figura 2.

    Enchimento: 52 %

    Enchimento: 64 %

    Enchimento: 70 %(a) Vinjeo = 1,05 m/s (a) Vinjeo = 3,15 m/s

    Figura 2: Evoluo do enchimento da cavidade para diferentes velocidades de injeo,

    evidenciando as diferentes temperaturas na frente de enchimento.

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    A anlise destas seqncias de enchimento mostra que para o uso de uma menor

    velocidade de injeo ocorreu um resfriamento acentuado na frente de avano do metal, sendo

    que para 52% de enchimento j se observa a ocorrncia de temperaturas inferiores

    temperatura lquidus da liga em estudo, no caso a liga Al9Si3Cu que apresenta Tliquidus de

    aproximadamente 6000C, indicando uma maior possibilidade de ocorrncia do defeito tipo

    solda fria em comparao com o comportamento apresentado para o uso de maior

    velocidade de injeo. A figura 3 apresenta graficamente a distribuio de temperaturas nas

    frentes de enchimento para as velocidades de injeo de 1,05 e 3,15 m/s, onde so

    representadas as temperaturas mnima e mxima observadas na frente a cada estgio do

    enchimento.

    Figura 3: Variao na temperatura da frente de enchimento para diferentes velocidades deinjeo.

    O grfico de Fig. 3 confirma a ocorrncia de temperaturas inferiores temperatura

    liquidus da liga em estudo para a velocidade de injeco igual a 1,05m/s a partir de 52% de

    enchimento, e mostra que a partir de 64% do enchimento a frente encontrava- se na sua

    560

    570

    580

    590

    600

    610

    620

    630

    20 30 40 52 58 64 70 76 82 94 100

    V= 1,75m/s V = 3,15m/s Tliquidus

    Tem

    pera

    tura

    da

    Fren

    te d

    e En

    chim

    ento

    (0 C

    )

    % de Enchimento

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    totalidade abaixo da temperatura liquidus, enquanto que na condio onde foi utilizada

    velocidade de injeo mxima (3,15m/s) a partir de 64% do enchimento comeam a ocorrer

    temperatura inferiores lquidus na frente de enchimento, entretanto a maior parte desta

    frente permanecia a temperaturas superiores liquidus.

    A figura 04 mostra ampliaes da frente de enchimento para o uso da velocidade de

    injeo de 1,05 m/s para 52% do enchimento (figura 4.a), onde fica evidenciada a

    coexistncia de temperaturas inferiores e superiores liquidus ao longo da frente de

    enchimento, enquanto que para 70% do enchimento (figura 4.b) praticamente toda a frente

    apresenta temperaturas inferiores liquidus, indicando a existncia de uma grande quantidade

    de material no estado semi-slido, aumentando a tendncia para o surgimento de solda fria.

    (a) (b)

    Figura 4: Detalhe ampliado de estgios do enchimento para a velocidade de injeo de 1,05

    m/s, (a) 52% do enchimento, (b) 70% do enchimento.

    Estas variaes nas distribuies de temperaturas ao longo das frentes de enchimento

    esto diretamente relacionadas com os maiores tempos necessrios para o enchimento a

    medida que a velocidade de injeo diminui, conforme mostra o grfico da figura 5, onde

    observa se um significativo acrscimo no tempo de enchimento para a velocidade de injeo

    igual a 1,05 m/s.

    TemperaturaLiquidus

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    Figura 5: Tempo de enchimento em funo da velocidade de injeo.

    De um modo geral, os resultados das corridas experimentais confirmaram as

    observaes obtidas atravs das simulaes. As figuras 6 e 7 mostram a representao da

    pea e dos pontos relativos s regies crticas quanto a possibilidade de ocorrncia de solda

    fria em funo dos resultados da simulao.

    A figura 06 corresponde a uma pea fundida com velocidade de injeo igual a 1,05

    m/s, mostrando a ocorrncia de solda fria em todas as regies mapeadas, o que confirma as

    previses obtidas nas simulaes. Nas peas injetadas com velocidade de 1,75 m/s (figura 7)

    tambm foi observada a ocorrncia de solda fria em diversas regies da pea, porm com

    incidncia inferior s peas injetadas com menor velocidade, o que tambm est em

    concordncia com o comportamento da frente de enchimento durante as simulaes.

    As peas obtidas com velocidade de injeo igual a 3,15 m/s no apresentaram

    nenhuma ocorrncia de solda fria, indicando que esta velocidade adequada para a obteno

    da pea em estudo. Estes resultados tambm esto de acordo com as observaes feitas nas

    simulaes, confirmando a eficincia do software utilizado na anlise do enchimento de

    peas fundidas sob presso.

    3,3

    3,35

    3,4

    3,45

    3,5

    3,55

    3,6

    20 30 40 52 58 64 70 76 82 94 100

    V = 1,05 m/sV = 1,75 m/sV = 3,15 m/s

    % de Enchimento

    Tem

    po d

    e En

    chim

    ento

    (s)

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    Figura 6: Representao da pea mostrando o mapeamento das regies crticas e detalhamento

    das mesmas para velocidades de injeo 1,05 m/s.

    a b c

    fa

    c

    b d e

    a b c

    d e f

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    Figura 7: Detalhamento da pea injetada com velocidade 1,75 m/s mostrando a ocorrncia de

    solda fria nas regies crticas.

    Outras publicaes [6-9] apresentam com mais detalhe os resultados obtidos nesta

    linha de pesquisa.

    4. ConclusesEmbora o software no precise o local de ocorrncia dos defeitos oriundos da fase de

    enchimento da pea, ele mostra a distribuio de temperaturas e perfil da frente metlica

    durante o enchimento. De posse dessas informaes pode-se compor uma anlise das

    possveis regies com incidncia de defeitos de solda fria, sendo que a comparao entre os

    resultados experimentais e os simulados mostrou boa concordncia para as condies testadas

    neste trabalho.

    No presente trabalho a incidncia de solda fria aumentou em funo da reduo na

    velocidade de injeo, o que pode ser atribudo ao aumento no tempo de enchimento e ao

    a b c

    d e

    f

  • CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CINCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, So Pedro - SP. Anais 42210

    conseqente resfriamento da frente no decorrer do enchimento, levando a ocorrncia de

    temperaturas inferiores temperatura liquidus da liga em estudo.

    5. Agradecimentos

    Os autores agradecem Magma Engenharia do Brasil pela disponibilizao do

    software para a realizao das simulaes, Wetzel Diviso Alumnio pela contribuio na

    execuo das experincias e ao CNPq pela bolsa PIBIC concedida.

    6. Referncias

    [1] KEIL E., KOCH P., Processo del Fundir a Presin, Uzwill, Suiza,Informacin Tcnica 6,

    Julio, 1979, Buhler Hermanos S.A.

    [2] BARKHUDAROV, M.; WILLIAMS, K. Simulation of Surface Turbulence Fluid

    Phenomena During Mold Filling. AFS Transactions, 1995, p.669-674.

    [3] BIRCH, Jim ; Porosity in Pressure Diecastings, Diecasting World, March, 1999, p. 16-18.

    [4]TSENG, C. H. E.; ASKELAND, D. R. Study of the EPC Mold Filling Process Using Metal

    Velocity and Mass and Energy Balances. AFS Transactions, 1992 ,p. 520.

    [5] SWAMINATHAN, C. R.; VOLLER, V. R. A Time-Implicit Filling Algorithm. Appl.

    Math. Modelling. 101-109. Vol. 18. February. 1994.

    [6] REBELLO, M.A. O Uso de Anlise via CAE na Fundio sob Presso de Ligas de

    Alumnio", Dissertao de Mestrado, 2000, 85p.

    [7] VERRAN, G. O. , REBELLO, M. A., OLIVEIRA, C. G. Simulao da Fundio Sob

    Presso de Ligas de Alumnio - Parte II: Estudo Experimental De Uma Pea Representativa.

    Anais do SULMAT 2000, 740-752, 2000.

    [8] VERRAN, G. O. , REBELLO, M. A., OLIVEIRA, C. G. Simulao da Fundio Sob

    Presso de Ligas de Alumnio - Parte I: Estudo do enchimento de peas de geometria simples.

    Anais do SULMAT 2000, Joinville, 730-739, 2000.

    [9] REBELLO, M.A. , VERRAN, G.O. , OLIVEIRA, C.G. A utilizao de recursos

    computacionais na anlise da fundio de peas. Revista do IST, 23-32, V1(2), julho 2000.