Orientacoes para projeto de coquilha

METALURGIA

FUNDIO

EM MOLDES PERMANENTES

Orientaes para projeto

de uma coquilha

Prof. Max Hermann

[email protected]

Apresentao original elaborada pelos Professores Ibere R. Duarte e Maria Inez Reinert

2

CARACTERSTICAS DA COQUILHA (Molde)

Pinos, mancais, tubos e outros

insertos metlicos podem fazer

parte das peas.

Podem ser feitos de aos, ferro,

alumnio, bronze ou outros

materiais.

(molde bipartido vertical)

1

1

2

2

3

3

4

4

5

5

6

6

7

7

8

8

Sistema de canais e alimentao

1. Bacia de vazamento (funil)

2. Canal de descida

3. Canal de distribuio

4. Canal de ataque

5. Figura da pea

6. Massalote

7. Respiro (sada de ar)

8. Pino e bucha guia

3


4


Movimentao Hidraulica

CARACTERSTICAS GERAIS DE UMA COQUILHA

5

Espessura de parede deve ser uniforme

- raramente acima de 40 a 50 mm;

- maiores de 50mm aumento do peso e tempo de aquecimento;

- menores de 15mm aumento da temperatura (encharcamento de calor, diminuindo a vida til da coquilha.

CARACTERSTICAS GERAIS DE UMA COQUILHA

6

Efeito da espessura da parede do molde e espessura

da parede da pea sobre o aquecimento durante ciclo

de operao em fundio de liga de alumnio

MATERIAIS PARA FABRICAO DA COQUILHA

Fatores a serem considerados para escolha do material:

O custo de fabricao da coquilha alto;

Quantidade de peas a serem produzidas;

Tipo de liga a ser vazada;

Forma e espessura da pea;

Custo do material.

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Propriedades para os materiais das coquilhas:

Boa condutividade trmica;

Estabilidade dimensional boa;

Resistncia mecnica a alta temperatura;

Estrutura uniforme;

Resistncia fadiga trmica;

Resistncia ao desgaste sob alta temperatura;

Facilidade para receber tratamentos trmicos;

Boa usinabilidade.

Boa soldabilidade.

CARACTERSTICAS DE MATERIAIS PARA COQUILHAS

8

Materiais mais utilizados:

Ao SAE 1045;

Ao ABNT H13;

Ferro fundido cinzento;

Ferro fundido nodular;

Ligas de Cu + Cr ou Cu + Be.


9

AO SAE 1045

Tratamento trmico: Tempera seguido de um revenido.

SAE

1045

C Si Mn P S

0,47 0,53 0,15 0,35 0,60 0,90 0,03 mx. 0,035 mx.


10

AO H13

mais caro; Maior durabilidade; Melhor resultado; um ao desenvolvido para trabalho a quente; um ao que recebe tratamento trmico de tmpera

e revenido;

Apresenta elevada resistncia ao desgaste.

AO H13

SKD61*

C Si Mn P S Cr V Mo

0,35 0,42

0,8 1,2

0,30 0,50

0,03

mx.

0,035

mx.

4,8 5,5

0,5 1,6

1,2 1,6

*Norma Japonesa


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FERRO FUNDIDO CINZENTO

Barato;

Maior condutividade trmica que o nodular em cerca de 3x;

Melhor resistncia a choque trmico;

Menor resistncia a fadiga trmica em funo da forma em

cunha da grafita;

Melhor usar FC300 ou 350 com Cr e Mo;

Grafita tipo A, tamanho 4, 5 e 6;

Matriz perltica;

Apresenta moderada expanso trmica;

Boa resistncia mecnica.

FC300 C Si Mn P S

2,8 3,0 1,8 2,0 0,4 1,0 0,1 mx. 0,1 mx.


12


13

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

FE FE FV FV FC FC

Cond. trmica AO Cond. eltrica

Comparao de condutividade trmica

entre aos e ferros fundidos

FERRO FUNDIDO NODULAR

Apresentam:

Menor condutividade trmica;

Melhor resistncia a fatiga trmica;

Boa usinabilidade;

Alta resistncia mecnica;

Custo baixo;

As classes FE50007 e FE60003 podem ser usadas.

FE 60003 C Si Mn P S Mg

3,6 3,7 2,4 2,7 0,2 0,5 0,1 mx. 0,01 mx.

0,035 0,06


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Esquema orientativo para escolha dos materiais

MATERIAIS PARA FABRICAO DA COQUILHA

15

ELEMENTOS CARACTERSTICOS DE UMA COQUILHA

Detalhes de um pino extrator

16

Fabricado em ao 1020.


Detalhes de uma placa com pinos extratores

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Folga entre o pino e a bucha guia de 0,05 a 0,20mm;;

Pinos devem possuir a extremidade abaloada ou cnica;

Ao temperado e nitretado, H13;

Bucha deve ser mais mole, mais barata e mais fcil de trocar;

Bucha pode ser de bronze, ferro fundido, ao 1020, lato;

O comprimento dos pinos deve ser o menor possvel, para permitir

o fechamento do molde em caso de pequeno empenamento.


Detalhes de pino guia

18


Detalhes de pino guia

19


Detalhes de pinos e buchas guia

20


Rebaixo da base do pino guia

21


Guia externo

22

Servem para deslocar a placa extratora para a posio inicial; Ficam fixados na placa extratora; So geralmente de ao H13.


Pinos de retorno da placa de extratores

Servem para manter fixa a coquilha sobre a placa fixa e a mvel da coquilhadeira.


Fixadores da coquilha na coquilhadeira

24

Dispositivo para deslocar a placa extratora; Melhor se forem fixados na coquilhadeira.


Batentes para acionar placa extratora

25

26

A construo e forma de uma coquilha tem influncia

marcante sobre a performance do processo e pea

produzida.

Portanto, ao projetar formas e peas para fundio

em coquilha, recomenda-se observar as diretrizes a

seguir:

FORMAS ADAPTADAS FUNDIO EM COQUILHA

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(Diretrizes)

Evitar diferenas acentuadas de espessura de parede; Evitar mudanas bruscas de espessura / seces de parede; preferir sempre uma tansio suave;

Paredes grossas devem, preferentemente substituidas por paredes nervuradas;

Evitar cruzamentos / encontros de paredes em forma de Y; No optar por arredondamentos de cantos com raios muito exagerados;

Evitar acmulo de massa (pontos quentes); Projetar uma diviso de molde o mais simples possvel; Evitar formas com contra-ngulos; Optar por espessuras de parede proporcionais ao tamanho da pea.

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Economizar massa na pea necessrio quando pea e coquilha se tornam mais em conta (menor custo);

Paredes externas no precisam de ngulo de sada quando a contrao notria;

Para facilitar a contrao em pontos que tendem a travar esta contrao so recomendados ngulos entre 10 e 15;

Paredes de machos metlicos requerem uma suficiente para facilitar a extrao (em torno de 1:50);

Faces de referncia e pontos de apoio devem ser identificados O projeto do canal de ataque, massalote, sadas de ar e rebarbas devem ser facilmente removveis (de baixo custo);

As tolerncias devem ser consideradas as maiores possveis visto que tolerncias muito reduzidas aumentam os custos.


(Diretrizes)

29


(Diretrizes)

A forma direita mais uniforme, mais fcil de

alimentar e mais fcil para extrair.

A posio de fundio direita deve ser

preferida para facilitar a alimentao.

30


(Diretrizes)

Nas marcaes de macho ou ento encontro de machos

(parte interna) no possvel arredondamento.

Mudanas de seces devem se projetadas conforme a

figura a direita (suave / gradativa).

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(Diretrizes)

Cantos vivos conforme figura a esquerda so difceis de obter

(fundir) para isto se recomenda acrscimos e posterior usinagem.

Encontros de paredes e raios grandes aumentam a massa e o

risco de rechupes e trincas, por isto se deve preferir a forma

da direita.

32


(Diretrizes)

Encontros de parede tipo Y levam a cantos muito vivos na

coquilha e consequente super aquecimento; preferir soluo

conforme forma da direita.

Machos metlicos no passantes, podem apresentar distores

por estarem guiados/apoiados s em um lado; sempre que

possve, preferir a forma direita (furo passante com duas guias).

33


(Diretrizes)

Cantos vivos enfraquecem a pea e podem gerar trincas.

Projetar arredondamento adequado conforme figura direita.

Prever espessuras de paredes uniformes! Este requisito

quase nunca observado quando se adapta formas

originalmente usinadas para o processo de fundio.

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(Diretrizes)

Espessamentos (bolachas) para pinos ou buchas devem ser

projetados com alvio de massa, sem contra-ngulo e se

necessrio com inserto.

Em (a) apresenta-se pouca espessura para o macho da coquilha o

que promove desgaste prematuro e em (b) uma concentrao de

massa. Optar pela forma direita com furo e colocao de nervura.

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(Diretrizes)

A parede externa no precisaria de ngulo de sada; se a parte interna feita

com macho, recomenda-se ngulo de 1 30 minutos. Caso a parte interna

um simples ressalto na coquilha, recomenda-se um ngulo de 10 a 15.

Neste caso o ngulo externo acompanha para uniformizar parede.

As nervuras devem ser projetadas de tal forma que no

ocorram pontos fracos na coquilha.

36


(Diretrizes)

Sempre que possvel, os furos devem estar orientados de tal

forma possibilitem a conformao / extrao por um s macho.

Abas com rosca projetadas para a parte externa da pea simplificam

a forma do macho (o macho no necessita de parte solta).

37


(Diretrizes)

Forma interna conforme figura esquerda s possvel conformar

com macho de areia. Na forma da figura a direita possvel utilizar

um macho de ao.

A concentrao de massa da figura esquerda pode ser

eliminada por um furo conforme figura direita

38


(Diretrizes)

Na figura esquerda apresenta-se um ponto crtico para extrao

(a) e uma concentao de massa (b). Na figura a direita uma

soluo para os dois problemas.

A orelha interna esquerda leva a um ponto crtico para a

extrao com macho de ao o que fica solucionado pela forma

direita onde houve um espessamento at o fundo da cavidade.

CONSIDERAES SOBRE O PROJETO DA COQUILHA

CONHECIMENTOS DO PROJETISTA

Metalurgia das ligas;

Solidificao das ligas;

Comportamento do fluxo de metal;

Sistema de alimentao;

Sistema de enchimento;

Dilatao e contrao;

Tintas para coquilhas;

Formao de xidos das ligas;

Sistemas de aquecimento e refrigerao das coquilhas;

Sistemas de evacuao de gases;

Insertos metlicos;

Tolerncias dimensionais e ajustes;

Defeitos de fundio;

Prtica.

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Praticamente impossvel obter pea boa diretamente do projeto sem ajustes;

Utilizar simuladores de enchimento e solidificao como ferramenta de apoio.

ITENS A SEREM OBSERVADOS

Desenho da pea; Liga; Quantidade de peas a serem produzidas; Definio de usinagem; Condies de qualidade; Superfcies de separao; Sistema de extrao.


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No desenho da pea:

Forma da pea;

Espessura de parede;

Raios;

Sadas;

Contra-sadas;

Massas isoladas.

Definies:

Machos metlicos ou de areia;

Facilidade de desmoldagem dos machos;

Locais para massalotes e pontos para os ataques;

Posio da cavidade da pea na coquilha.


41

Tipo de liga:

Composio qumica da liga;

Intervalo de solidificao;

Necessidade de tratamentos de refino e/ou modificao;

Necessidade de tratamentos trmicos.


Quantidade de peas:

Forma e tamanho das peas;

Tipos de coquilhadeiras;

Tamanho mximo da coquilha na coquilhadeira.

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Usinagem:

Sobremetal para usinagem;

Superfcies a usinar;

Superfcies de referncia;

Locais e dificuldades de rebarbagem.


Requisitos de qualidade:

Caractersticas das superfcies;

Rebarbas admissveis;

Tratamentos superficiais;

Exigncias de estanqueidade;

Tolerncias de peso;

Nvel de microporosidade admissvel. 43

Superfcie de separao:

Posicionamento de machos;

Posicionamento de pinos extratores;

Posio de massalotes;

Localizao de ataques;

Nmeros de pontos a serem rebarbados;

Localizao das sadas de gases.

No sistema de extrao:

Nmero de pinos extratores;

Posio dos pinos em superfcies a serem usinadas;

Nmero de pinos de retorno;

Sistema de retorno da placa extratora.


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CONSIDERAES SOBRE POSIO DA PEA NA COQUILHA

A posio da pea e a turbulncia do metal;

As ligas de alumnio so altamente oxidveis;

A posio da pea deve permitir a colocao do massalote; Se possvel os ataques devem ser colocados sobre superfcies a serem usinadas;

Superfcies usinadas para cima, os xidos tendem a flutuar.

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SUPERFCIES DE SEPARAO DE UMA COQUILHA

A linha de separao deixa marca sobre a pea;

Superfcies planas so melhores para usinagem.

Coquilhas mltiplas:

Possuem menor preciso;

Maior rebarbao na pea;

Facilita a sada de gases;

Reduz deformao do molde;

Maior custo e tempo de construo.

Uma vez definida a posio da figura:

Dimensionar o tamanho da coquilha;

Deixar espao para os pinos guia e de retorno;

Deixar espao livre para suportar a presso de fechamento e evitar vazamentos;

Espessura homognea de parede, em torno de 30 a 50 mm.

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MACHOS DE COQUILHAS

MACHOS DESTRUTVEIS

Areia Shell;

Areia Caixa quente;

Areia Caixa fria;

Gesso;

Grafite.

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A preferncia por machos do processo shell:

Resistncia alta;

Acabamento superior;

Melhor para estocar;

No necessita pintar;

Macho oco, facilita desmoldar e sada de gases;

Usar teor de resina entre 1,4 a 4 %.

MACHOS DE COQUILHAS

48

Machos Metlicos:

Reduzem os custos de produo; Podem ser posicionados por cima, por baixo e laterais da coquilha.

Machos macios:

Sobreaquecem menos; So mais pesados; Demoram mais para esfriar; So utilizados em pequenas dimenses.

MACHOS DE COQUILHAS

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Machos ocos:

So mais leves;

Podem ser resfriados com ar ou gua.

Generalidades sobre os machos:

Os machos devem ser extrados por alavanca ou pisto, a contrao do metal tende a prend-los;

Machos mais compridos submetidos a maiores tenses mecnicas e trmicas devem ser refrigerados com gua ou

ar comprimido.

MACHOS DE COQUILHAS

50

51

Objetivos e recomendaes referente refrigerao

- Regula o fluxo de calor e controla a solidificao, podendo

ser direcional;

- Prolonga a vida do molde (coquilha);

-A vida til da coquilha maior se a faixa de variao

de temperatura da coquilha mais estreita;

-A refrigerao realizada ar ou com gua;

-Com ar mais suave, mas menos eficaz;

-Com gua permite um ciclo mais curto por pea;

- O resfrigerao afeta as propriedades mecnicas das

peas.

REFRIGERAO DA COQUILHA

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importante que a parede da coquilha seja homognea

na espessura para uniformizar extrao de calor.


53

Cmara de refrigerao soldada

- A jaqueta soldada na coquilha;

- A coquilha precisa ser de ao;

- A cada troca de coquilha necessrio desconectar o sistema de

mangueiras de gua.


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Cmara de refrigerao separada

- Cmara de refrigerao separada permite troca rpida do ferramental sem

a necessidade de desconectar o sistema de refrigerao;

- A troca trmica fica um pouco prejudicada, devido a folga entre a jaqueta e

a coquilha.


55

Refrigerao atravs de tubulao embutida

- Tubos curvados so colocados no molde antes de vazar o metal que vai

fazer o corpo da coquilha, desta forma o sistema fica embutido;

- Elimina vazamentos.


56

Refrigerao por vaporizao

- pouco usado;

- Um sistema de bicos pulverizam gua na parte de trs da

coquilha, de cima para baixo.


57

Refrigerao localizada

- muito utilizado atravs do uso de insertos com materiais que

conduzem mais calor, o caso dos resfriadores, pode haver

refrigerao forada com ar, usando-se aletas e com gua

passando nos resfriadores.


58

Extrator de calor localizado refrigerado

Extrator de calor aletado


59

RESFRIADORES

Com o objetivo de aumentar a extrao de calor em determinadas regies para promover solidificao direcional

evitando deste modo formao de rechupes;

So confeccionados em metais com elevada condutibilidade trmica.

MATERIAL CONDUTIBILIDADE TRMICA

(kcal/m2/0C)

Cobre puro 342

Alumnio 180

Lato 90

Bronze 85 5 5 52

Ferro fundido 65

60

RESFRIADORES

Resfriador metlico

Para aumentar a eficincia do resfriador, pode-se prolongar

o mesmo fazendo-o com aletas.

61

RESFRIADORES

Resfriador metlico com refrigerao forada

62

RESFRIADORES

Resfriador metlico em ponto quente

63

INSERTOS METLICOS

64

INSERTOS METLICOS

Insertos podem ser de metais ferrosos, bronze e lato; Geralmente so elementos de fixao como parafusos ou porcas;

O uso de inserto reduz a produtividade na fundio.

Cuidados:

A superfcie do inserto deve ser spera com ranhuras ou recartilhados;

Devem ser limpos, isentos de graxa, leos e umidade; Devem ser pr-aquecidos; recomendvel aquec-lo e mergulha-lo no banho antes de colocar na coquilha, isto melhora a aderncia do metal.

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SADAS DE AR / GASES DA COQUILHA

Complexidade da pea pode favorecer a reteno de gases e ar; Sistemas simples devem ser projetados para facilitar a sada de gases; O alumnio lquido em temperatura de at 7500C no penetra em ranhuras de at 0,2 mm.

Usinar as sadas de ar de preferncia aps teste com a coquilha; Na fase inicial de teste usinar as sadas de ar com menor largura.

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Sadas de ar nos pinos extratores

Folga entre o pino extrator e o molde e ranhuras so simples de

fazer e ajudam na sada de ar.

67


Malha de sadas de ar em superfcie plana

Em seces planas da pea pode ser feita uma malha de sadas de ar, fresadas, com conexo ao pino extrator.

68


Sadas de ar pela juno macho metlico/molde

69


Bolha de gs oriunda do macho de areia

Sada de ar atravs de um pino ranhurado ou sextavado

colocado na marcao de um macho de areia.

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Sada de gases de machos de areia por suco

71


Pino extrator de gases ranhurado ou sextavado

72


Sadas de ar em peas aletadas

No caso de peas aletadas a coquilha no deve ser macia, mas

em partes de acordo com as aletas, desta maneira possvel

confeccionar sadas de ar entre estas partes

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Filtro, cermico, com orifcios de at 0,3 mm.

REFERNCIAS BIBLIGRFICAS PARA FUNDIO EM COQUILHA

-SENAI/CETEF Fundamentos do processo de coquilha por gravidade. 2000, Itana.

-SENAI/CETEF Fundio em coquilha por gravidade, Itana.

-SENAI/CETEF Projetos de coquilha. 2000, Itana.

-Fuoco, R. et all. Projeto de sistema de canais para fundio de ligas de alumnio por

gravidade. CONAF 2001

-Fundio e Servios O emprego da fundio em molde permanente. Maio 2000

-AFS American Foundrymens Sociey. Aluminum Casting Technology, 2nd Edition. 1993 ,

Des Plaines, Illinois.

-Fuoco, R. Curso de fundio de ligas de alumnio. IPT. Julho, 1994.

-ASM American Society for Metals - Metals Handbook.. 8a edio. Vol 5. Forging and Casting. Metals

Park, Ohio, 1970.

-ALAR The Association of Light Alloy Refiners - British and Europeam Aluminium

Castings Alloys, Birmigham, 1996.

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Orientacoes para projeto de coquilha

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