Introdução aos Processos de Fabricação: Mudança de Estado e Tecnologias de Fundição

Introdução aos Processos de Fabricação 1 Prof Dr Guilherme Canuto da Silva 2 MUDANÇA DE ESTADO A característica principal deste grupo de tecnologias é a transformação da matéria prima por meio da mudança do seu estado Assim para materiais metálicos devese primeiramente aquecer o material até sua temperatura de fusão e vertêlo em uma cavidade com geometria e dimensões de interesse Após o resfriamento do metal temse o produto concluído A figura 21 mostra as características da tecnologia de fundição assim como as disciplinas básicas envolvidas no seu estudo Figura 21 Características básicas da tecnologia 1 O estudo das tecnologias de fabricação está estruturado nas nove etapas utilizadas para solução de problemas de engenharia As subseções seguintes apresentam o desenvolvimento deste estudo 21 Problema de engenharia Os problemas de engenharia estudados neste tema são basicamente dois o primeiro consiste em determinar diferentes variáveis de interesse em sistemas de vazamento para moldes de fundição fechados O segundo consiste em obter um produto fundido em um molde com cavidade aberta 22 Modelo físico As figuras 22 e 23 mostram exemplos de modelos físicos tipicamente utilizados para representar a tecnologia de fundição em cavidades aberta e fechada O nível de metal líquido nas cavidades é indicado pelas letras NL nível do líquido transformação característica principal sólido líquido líquido sólido disciplinas básicas materiais e suas propriedades mecânica dos fluidos termodinâmica entrada matéria prima saída produtos diversos fundido Introdução aos Processos de Fabricação 2 Prof Dr Guilherme Canuto da Silva Figura 22 Fundição em cavidade aberta 1 Ao observar o modelo físico representado na figura 22 percebese que a fundição em cavidade aberta tem suas limitações Uma de suas limitações é a confecção de uma cavidade capaz de fundir produtos com geometrias complexas eou com vazios e canais internos Figura 23 Fundição em cavidade fechada 1 A figura 23 mostra um exemplo de fundição em cavidade fechada ou molde fechado Neste exemplo o produto final é um eixo escalonado1 de seção transversal circular com um orifício interno que é obtido com uso de um inserto O projeto da fundição em cavidade fechada pode conter ainda canais auxiliares para extração do ar superaquecido Canais adicionais para alimentação de metal líquido Reservatórios internos massalotes para garantir o fornecimento de metal líquido na cavidade 1 Escalonado é uma nomenclatura utilizada em projeto mecânico para caracterizar diferentes diâmetros contidos em um eixo de seção normalmente circular cavidade container areia metal líquido metal líquido NL parte superior NL parte inferior inserto metal líquido canal de distribuiçãocanal de alimentação areia cavidade Introdução aos Processos de Fabricação 3 Prof Dr Guilherme Canuto da Silva A figura 24 ilustra o processo de aquecimentoresfriamento da matéria prima durante a fundição É possível notar que na medida em que a matéria prima se solidifica contraturas ocorrem no metal fundido A primeira contratura ocorre na superfície da cavidade As demais contraturas ocorrem próximas às paredes da cavidade O processo de aquecimentoresfriamento também pode ser demonstrado na forma de um gráfico conforme mostra a figura 25 Figura 24 Processo de aquecimentoresfriamento da matéria prima 1 I Fase de aquecimento da matéria prima II Fase de fusão Mudança do estado sólido para o estado líquido III Fase líquida Resfriamento da matéria prima Surgimento de contraturas na superfície da cavidade IV Fase líquidosólido Final da fase de resfriamento V Fase de solidificação da matéria prima Surgimento de contraturas próximas às paredes da cavidade Figura 25 Representação do processo de aquecimentoresfriamento da matéria prima 1 líquidosólido sólido sólido sólidolíquido líquido L I II III LS IV SL S V S aquecimento sólido sólido líquido líquidosólido resfriamento líquido resfriamento sólido horas minutos minutos minutos horas sólido líquido sólido I II III IV V Introdução aos Processos de Fabricação 4 Prof Dr Guilherme Canuto da Silva A escala de tempo t indicada no eixo das abscissas apresenta uma sugestão quanto ao tempo de duração de cada uma das fases O tempo de duração pode variar de acordo três recursos principais 1 Matéria prima Exemplo a variação da quantidade de matéria prima processada eou o tipo de matéria prima 2 Máquina utilizada Exemplo recursos do forno utilizado potência faixas de temperatura capacidade volumétrica 3 Ambiente de transformação Exemplo resfriamento em ambiente aberto temperatura ambiente ou controlado com uso de água ou de outro recurso para extração de calor 23 Variáveis A tabela 21 mostra algumas das variáveis de interesse envolvidas no estudo da fundição Tabela 21 Simbologia descrições e unidades sugeridas 1 24 Modelos matemáticos A tabela 22 mostra exemplos de modelos matemáticos que podem ser adotados para representar a relação eou determinar o comportamento de uma grandeza de interesse variável símbolo unidades atrito adm área da seção transversal cm² força F N constante de aceleração g ms² cota h cm pressão P Pa vazão Q cm³ temperatura t ºC velocidade v cms massa específica gcm³ Introdução aos Processos de Fabricação 5 Prof Dr Guilherme Canuto da Silva Tabela 22 Exemplos de modelos matemáticos básicos usados no estudo da fundição 24 25 Hipóteses As hipóteses auxiliam na criação de condições de contorno para o fenômeno estudado o que contribui para a simplificação e posterior solução do problema As hipóteses devem ser formuladas a partir das variáveis e das condições reais envolvidas no fenômeno É importante observar que a formulação da hipótese tem relação com o valor da variável afetada Alguns exemplos de hipóteses que podem ser formulados para o processo de solução destes problemas são H o atrito é desprezível H a velocidade é constante H o sistema está sob pressão é atmosférica H4 a variação de massa específica é desprezível H5 a vazão é constante H6 a área da seção transversal não varia com o comprimento H7 a cota coincide com o plano horizontal de referência phr 26 Solução A solução esperada envolve a formulação de uma ou mais equações Estas equações devem ser capazes de integrar as variáveis de interesse uma vez que a formulação de hipóteses pode suprimir variáveis dispensáveis ao problema tratado Devem ser capazes ainda de representar a relação entre as variáveis e o fenômenocomportamento do sistema variável equação unidades pressão massa específica altura Pa MPa vazão velocidades área da seção transversal cm³s alturas atritos pressões velocidades massa específica cm adm MPa gcm³ cms ms² Introdução aos Processos de Fabricação 6 Prof Dr Guilherme Canuto da Silva 27 Avaliação Avaliar a solução requer atenção reflexão e autocrítica Dependendo da solução equação encontrada algumas alternativas de avaliação podem ser utilizadas Exemplos 1 analisar a consistência entre equações e o fenômeno físico 2 comparar variáveis participantes da solução e com variáveis contidas no fenômeno 3 verificar ordenação das variáveis em relação à igualdade das equações 4 fazer análise dimensional das equações 4 comparar a solução encontrada com problemas análogos 5 conduzir testes de hipóteses 6 simular a solução no computador 28 Validação Após avaliação temse a validação da solução A validação ocorre quando os resultados obtidos satisfazem a pergunta que definiu o problema de engenharia Se o resultado não for satisfatório a validação não ocorre As etapas da modelagem devem ser reformuladas até que se tenha uma solução adequada para o problema É importante ressaltar que a reformulação pode incluir ainda a adequação eou modificação do próprio problema de engenharia 29 Aplicação A tabela 23 apresenta parâmetros iniciais que podem ser empregados no estudo da fundição As temperaturas apresentadas são a temperatura de fusão T e a temperatura de transição vítrea T v respectivamente Introdução aos Processos de Fabricação 7 Prof Dr Guilherme Canuto da Silva Tabela 23 Matéria prima aplicações e parâmetros de interesse 5 ferros fundidos componentes automotivos componentes ferroviários componentes de máquinas 1130 1250 aços de alto tor de carbono eixos molas ferramentas de corte 1289 1478 aços de médio teor de carbono eixos engrenagens mancais 1380 1514 aços de baixo teor de carbono componentes automotivos estruturas chapas 1480 1526 aços de baixa liga componentes automotivos componentes de máquinas ferramentas diversas 1382 1529 aços inoxidáveis utensílios domésticos utensílios cirúrgicos processamento de alimentos 1375 1450 Ligas de alumínio componentes automotivos utensílios domésticos estruturas leves 475 677 Ligas de cobre tubos utensílios domésticos componentes elétricos 982 1082 Ligas de chumbo materiais de soldagem blindagem utensílios de esportelazer 322 328 Ligas de magnésio componentes automotivos componentes nucleares componentes para transporte geral 447 649 Ligas de níquel componentes aeronáuticos cunhagem revestimentos metálicos 1435 1466 Ligas de titânio componentes aeronáuticos componentes aeroespaciais implantes biomédicos 1477 1682 Ligas de zinco componentes automotivos utensílios domésticos revestimentos metálicos 375 492 não ferrosos parâmetros de interesse temperaturas denominação exemplos de aplicação matéria prima origem ferrosos T T v Introdução aos Processos de Fabricação 8 Prof Dr Guilherme Canuto da Silva 210 Quadro resumo Posicionamento Modelos físicos Hidrostática Modelos matemáticos descrição Teorema de Bernoulli caso particular Lei fundamental da hidrostática Resultante das forças de pressão placa retangular Lei da continuidade Tempo de enchimento da cavidade Exemplos de hipóteses relação entre grandezas e parâmetros variáveisigualdades parâmetros O atrito é igual em todo o sistema 05 A velocidade na entrada do molde é nula 0 Todo o sistema está sob pressão atmosférica 1 atm 1 A cota encontrase no plano horizontal de referência phr 0 O fluido pode ser tratado como um líquido ideal unidades sugeridas adimensional equações constitutivas variáveissímbolos h PV TVQ QV Exemplo placa retangular de lados a e b imersa num fluido T cavidade aberta cavidade fechada cavidade defundição H H H H4 Fundição transformação da matéria prima por meio da mudança do seu estado Para materiais metálicos devese primeiramente aquecer o material até sua temperatura de fusão e vertêlo em uma cavidade com geometria e dimensões de interesse Após o resfriamento do metal temse o produtoconcluído exemplo online adaptado de Kaminski 2000 H5 volume de pressões Introdução aos Processos de Fabricação 9 Prof Dr Guilherme Canuto da Silva Questões descritivas Q1 Qual é a principal característica deste grupo de tecnologias Q2 Desenhe um modelo físico capaz de representar um sistema de vazamento em cavidade fechada Q3 Faça uma representação gráfica do processo de aquecimento e resfriamento da matériaprima durante a fundição Q4 Cite cinco exemplos de variáveis de interesse envolvidas no processo de fundição Q5 Cite cinco exemplos de hipóteses que podem ser formuladas para auxiliar a solução de problemas de fundição Questões de modelagem Q1 O produto ilustrado na figura deve ser fundido em cavidade fechada Pedese determinar a velocidade no canal de distribuição Figura 1 Produto vistas de interesse Questões de aplicação Q1 Determinar a velocidade no canal de distribuição de um molde fechado de fundição considerando os seguintes parâmetros cota igual a 5cm e constante para aceleração da gravidade igual a 981 ms² 981 cms² Introdução aos Processos de Fabricação 10 Prof Dr Guilherme Canuto da Silva Referências 1 G Canuto da Silva Notas de aula do curso Introdução aos Processos de Fabricação Mudança de estado Universidade Federal do ABC Santo André pp 19 2021 2 S Kalpakjian and S R Schmid Manufacturing Engineering Technology 7th ed New Jersey United States Pearson Prentice Hall 2013 3 R W Fox and A T McDonald Introdução à Mecânica dos Fluidos Autorizada Rio de Janeiro Brasil LTC Livros Técnicos e Científicos Editors SA 1995 4 P C Kaminski Mecânica geral para engenheiros 1st ed São Paulo Brasil Editora Edgard Blücher 2000 5 M Ashby Seleção de materiais no projeto mecânico Rio de Janeiro Brasil LTC Livros Técnicos e Científicos Editors SA 2012 6 MP Groover Introdução aos processos de fabricação Rio de Janeiro Brasil LTC Livros Técnicos e Científicos Editors SA 2014 Introdução aos Processos de Fabricação 11 Prof Dr Guilherme Canuto da Silva APÊNDICE A1 Dimensionamento de massalotes O massalote é uma espécie de reservatório de metal que tem como função básica fornecer fonte de metal líquido para o fundido compensar sua contratura durante o processo de solidificação Seu projeto deve considerar que a solidificação do metal no massalote ocorra após o metal da peça fundida garantindo assim sua função primária 1 O massalote será dimensionado com base na geometria e no tamanho da peça Basicamente o massalote pode ser dimensionado a partir de uma regra conhecida como Regra de Chvorinov 6 Regra de Chvorinov A regra de Chvorinov indica que um produto fundido com maior razão volumeárea irá se resfriar e se solidificar de forma mais lenta que uma peça com menor razão TTS C Onde TTS é o tempo total de solidificação min C é uma constante do molde2 mincm² V é o volume do fundido cm³ A é a área superficial do fundido cm² n é um número exponencial usualmente igual a 2 Os massalotes podem ser projetados de diversas formas por exemplo lateralmente a cavidade de fundição no topo da cavidade ou mesmo aberto ficando exposto ao exterior na parte superior do molde É proibida a duplicação ou reprodução deste material no todo ou em sua parte sob quaisquer formas ou por quaisquer meios eletrônico mecânico gravação fotocópia distribuição na Web e outros sem permissão expressa do docente 2 Constante do molde 𝐶𝑚 pode ser baseada em dados experimentais de operações anteriores realizadas com o mesmo material de moldagem 6