Regras Gerais para o Projeto de Peças Fundidas

1 04 REGRAS GERAIS PARA O PROJETO DE PEÇAS FUNDIDAS 41 Introdução Para se obter peças fundidas com qualidade e com o menor custo os seguintes pontos devem ser considerados 1 Escolha do material adequado 2 Concordância da forma com o tipo de solicitação 3 Escolha adequada do processo de fundição 4 Adaptação da forma ao comportamento do material na fundição 5 Custo mínimo dos modelos por conformação adequada da peça 6 Fácil e segura moldagem 7 Fácil limpeza da peça 8 Garantia das dimensões da peça 9 Fácil usinagem assim como montagem simples e segura das diversas peças 411 Escolha do material adequado Ao escolher o material para fundição de um determinado tipo de peça devese considerar a possibilidade de fundição econômica 412 Concordância da forma com o tipo de solicitação Por fundição podemse obter peças de praticamente qualquer forma por mais complicada que esta seja Esta vantagem deve ser usada na fabricação de peças que ofereçam a máxima resistência às solicitações a que estejam sujeitas observandose 1 Escolha da seção transversal mais apropriada Fig 41 Perfil do braço de furadeira radial 2 Evitar entalhes cantos vivos mudanças bruscas de seção figura 42 ou outras descontinuidades nas quais aparecem pontas de tensão capazes de provocar a ruptura prematura da peça Uma superfície áspera com bolhas incrustações e outras imperfeições tem sob o ponto de vista das solicitações dinâmicas o mesmo efeito dos entalhes Por esta razão a usinagem de uma peça muito áspera ainda que reduzindo as dimensões eleva consideravelmente a resistência à fadiga O ferro fundido tem menor sensibilidade a entalhes e descontinuidades do que o aço Por outro lado a enorme diferença entre as resistências à tração e compressão do ferro fundido obriga a uma conformação muito mais cuidadosa do que em aço A figura 41 mostra duas situações para o perfil do braço de uma furadeira radial onde o perfil do tipo b que é oco e de contorno fechado é muito mais resistente à torção do que o perfil aberto do tipo a 2 3 Em peças de ferro fundido evitar ou reduzir ao mínimo possível os esforços de tração Esta recomendação fica evidente se observarmos que a resistência do ferro fundido à tração é quatro vezes menor do que à compressão Fig 43 Exemplo de como evitar ou reduzir esforços de tração em peças de ferro fundido No caso de peças sujeitas à flexão tendo tendo em vista a menor resistência à tração devese concentrar mais material no lado tracionado Fig 42 Concordância de se seções cantos vivos 3 413 Escolha adequada do processo de fundição O processo de fundição é selecionado em função dos seguintes itens material forma tamanho peso e número de peças a executar Como exemplo um resumo de três processos 1 Fundição em areia é aquela em que o material metálico sem pressão é vertido em molde de areia Para ferro e aço é praticamente o único sistema usado Para execução de poucas peças é o mais econômico adaptandose também para peças muito grandes Nestes dois casos a moldagem se faz a mão com modelos ou gabaritos de madeira No caso de produção em série ou em massa de peças de tamanho pequeno e médio a moldagem é feita à máquina usandose modelos metálicos O molde normalmente é usado uma única vez empregandose os seguintes materiais a areia verde mistura de areia e ligante com adição de água É usada para peças de tamanho pequeno a médio e especialmente para alta produção porque o molde pode ser vazado logo que esteja pronto dispensando qualquer tratamento b areia seca em que o molde é seco na estufa antes do vazamento O molde é usualmente revestido de cera refratária antes da secagem obtendose assim uma superfície lisa e dura resistente ação abrasiva do metal fundido Este processo é usado para peças grandes A secagem aumenta a permeabilidade do molde e diminui a formação de gases no vazamento c barros argilas refratárias são algumas vezes usados para a fundição de peças muito grandes d Resinas e materiais plásticos são usadas na chamada fundição em casca Shell molding Este processo é especialmente adaptado para a produção em massa fornecendo peças com maior precisão de medidas e melhor aspecto superficial A espessura mínima de parede é de 3 mm para ferro fundido e de 5 mm para aço fundido devendo estes valores serem aumentados de acordo com o caminho a ser percorrido pelo material ou pelo maior volume de material que deve fluir pela seção A precisão máxima alcançada é de mais ou menos 1 mm 2 Fundição em coquilhas é aquela em que o material fundido é vertido sem pressão em formas metálicas geralmente de ferro fundido cinzento que devem suportar cerca de 10000 fundições Adaptase somente para a execução de grandes séries mínimo 300 peças Peças de peso máximo de 50 quilos Espessura mínima de parede 3 mm Precisão de execução 02 a 03 mm A superfície fica muito lisa a estrutura mais densa com granulação pequena e a resistência bem maior do que as peças fundidas na areia O processo substitui muitas vezes peças forjadas com grande economia 3 Fundição sob pressão é aquela em que o metal em estado líquido ou pastoso é injetado sob pressão numa forma de aço O processo adaptase especialmente para metais cujo ponto de fusão não seja muito alto Economicamente só se justifica para a produção em massa mínimo de 500 peças grandes ou 3000 pequenas Aspecto externo muito bom estrutura fina e muito densa Espessura mínima de parede 05 a 3 mm dependendo da forma e do metal Precisão de 003 a 03 mm Peso máximo de cada peça 10 quilos para metais leves 20 quilos para ligas de zinco e 25 quilos para ligas de cobre Um variante da fundição sob pressão é a fundição centrífuga em que a pressão é gerada pela força centrífuga o molde gira Usado na fundição de tubos cilindros buchas anéis tambores de freio etc O comprimento das peças é praticamente ilimitado Não há dificuldade para a fundição de peças de ferro e metais e ligas são facilmente recuperáveis O diâmetro das peças varia de 40 a 3000 mm e as espessuras de parede de 4 a 55 mm 4 414 Conformação levando em conta as peculiaridades da fundição O projetista estabelece as condições fundamentais para a fundição que são superfície e o peso da peça Com isto ele pode influenciar a velocidade de resfriamento e suas conseqüências forma e tamanho dos grãos vazios os efeitos da contração líquida da solidificação e da contratação sólida bolhas de gás incrustações de escória etc Embora praticamente qualquer forma de peça possa ser obtida por fundição o projetista deve observar uma série de regras para que a fundição seja simples fácil segura e sobretudo econômica 4141 Evitar os vazios e inclusões Generalidades Em virtude da contração de solidificação aparecem em peças fundidas na parte que se solidificou por último vazios bolsas ou rechupes Fig 44 Também durante o processo de solidificação as escórias e outras impurezas se deslocam da parte em solidificação para a parte mais líquida de forma que na peça fria aparecem inclusões exatamente nas zonas que se tornaram sólidas por último Para evitar ambos os defeitos usamse os massalotes isto é prolongamentos da peça destinados a servir de reservatório líquido apropriado a compensar a cada momento a diminuição de volume devida à contração das partes em solidificação Obtémse assim um deslocamento dos defeitos da peça para um prolongamento a ser removido Fig 44 Deslocamento do vazio para o massalote Para que a condição a seja preenchida é preciso que o massalote tenha um determinado volume mínimo de material que muitas vezes é bem considerável Podese diminuir o gasto de material no massalote usando materiais isolantes de calor na confecção do molde na parte correspondente ao massalote Além do massalote nas peças grandes devese estudar bem a disposição da peça para vasamento Fig 45 Fig 45 Influência da disposição do molde na formação de vazios Para que o massalote possa cumprir bem a sua função ele deve a Permanecer líquido por mais tempo do que todas as outras partes da peça b Ser ligado à porção da peça a alimentar por uma seção de passagem suficiente pois se a ligação solidificar antes do que o interior da peça o massalote não pode preencher a sua função c Deve estar situado acima da parte a alimentar 5 Em peças pequenas é necessário alimentar o molde sempre nos pontos de maior acúmulo de material e diminuir o caminho a percorrer pelo material líquido Fig 46 Fig 46 Escolha correta do ponto de alimentação Fig 47 Emprego de placa de resfriamento Em todos os pontos de acúmulo de material deve ser previsto um massalote para evitar que nestes pontos que permanecem líquidos por muito tempo apareçam vazios falhas ou inclusões Se a peça apresenta pontos de acúmulo de material em que não é possível colocar um massalote pode o modelador caso o acúmulo não seja muito grande garantir a qualidade da peça pelo uso de placas de resfriamento Figs 47 4142 Normas gerais de projeto para evitar vazios e inclusões Para se obter uma peça isenta dos defeitos estudados acima sem exigir estudos e ensaios especiais por parte do fundidor deve o projetista observar as seguintes regras a As paredes externas devem ser de espessura uniforme Evitandose todos os pontos de acúmulo de material Exemplos figuras 48 49 410 e 411 Fig 48 Apoio Fundido Fig 49 Mancal fundido Fig 410 errado certo Fig 411 6 b A união de duas ou mais paredes deve ser projetada de modo a evitar o acumulo de material A seção simples Fig 412 a irradia livremente o calor por toda a superfície Quando se unem duas paredes produzse um ponto quente e a superfície esfriase no regime de uma seção 50 maior Fig 412 b Quando duas paredes se cruzam o material dentro do círculo se solidifica no regime equivalente a uma barra com o dobro da espessura de parede Fig 412 c Se a concordância das paredes se faz com filetes de raio muito grande o problema se torna mais sério Fig 412 d A figura 413 mostra as curvas de resfriamento do centro das 4 seções da figura 412 em função do tempo Fig 412 Fig 413 Curvas de esfriamento no cruzamento das paredes c Quando é impossível dar espessuras constantes a uma peça de fundição O traçado deve ser tal que os círculos inscritos na seção transversal da peça tenham diâmetros crescentes a partir de baixo para cima a peça estando na posição de vazamento figuras 414 e 415 Fig 414 Fig 415 7 4143 Evitar os rechupes e as fendas nos ângulos Generalidades Nos cantos vivos internos reduzse em muito a possibilidade de transmissão de calor formandose aí um ponto quente Em função da contração de solidificação aparecem nos ângulos falhas porosidades e principalmente rechupes 4144 Normas gerais de projeto para evitar rechupes porosidades e fendas a Evitar ângulos vivos usando filetes de concordância Estes devem preencher duas funções 1º sob o ponto de vista da resistência reduzir a concentração de tensões 2º sob o ponto de vista da fundição evitar rechupes porosidades e fendas Para satisfazer ao primeiro ponto de vista desejase em geral arredondamentos grandes com raios de curvatura r de 1 a 2 vezes a espessura de parede Do ponto de vista da fundição estes arredondamentos são entretanto exagerados pois provocam um ponto quente por acúmulo excessivo de material Para a fundição recomendamse em geral raios de arredondamento iguais a ¼ até ⅓ da espessura da parede maior As figuras 416 e 417 exemplificam o uso correto de arredondamentos No caso de serem indispensáveis arredondamentos maiores a fim de reduzir ao mínimo a concentração de tensões será então necessário recorrer a esfriadores para contornar o efeito do acúmulo de material Fig 416 Vazio em canto vivo b Evitar mudanças bruscas de seção A passagem de uma seção para outra deve ser gradual Quando a mudança de espessura é pequena podemse usar filetes de concordância como mostra a figura 418 em que e ⅔ E Quando a diferença é maior é possível usar seções em forma de cunha com declividade a 25 14 ou ainda combinar as duas soluções figuras 419 e 420 De qualquer forma devemse evitar diferenças de espessura de seções contínuas maior do que 2 1 Caso não for possível conseguir diferença menor do que a indicada convém considerar o uso de peças separadas Fig418 Concordância de seções de espessuras diferentes e ⅔ Fig 417 Maneira correta de prever filetes de concordância em peças fundidas Fig 419 Soluções para concordância de seções com e ⅔ E Fig420 Soluções para concordância de seções com e ⅔ E 8 4145 Evitar bolhas escórias e porosidades superficiais Generalidades No vazamento as escórias bem como os gases tanto os do próprio metal líquido como os produzidos pelo molde tendem a subir Caso ocorram superfícies horizontais de maior extensão gases e escórias não podem subir até o massalote originando falhas porosidades e inclusões na superfície da peça ou mesmo interrompendo a continuidade da peça em determinados pontos Com isso cai muito a resistência à fadiga assim como o aspecto superficial deixa muito a desejar A eliminação da camada defeituosa por usinagem exige sobremedida especial na peça acrescentando às despesas de usinagem maior gasto de material O fundidor pode eliminar em parte estes defeitos por disposição adequada do molde no vazamento Regra de projeto O projetista pode simplificar a fundição e evitar o defeito apontado acima adotando uma forma que permita a livre ascensão dos gases e escórias Para tal a peça não deve ter superfícies horizontais de maior extensão Exemplo volante figura 421 Fig 421 Evitando bolhas e inclusões nas superfícies horizontais de peças fundidas 4146 Atenuar as tensões internas e evitar as rupturas Generalidades Na peça da figura 422 a nervura a resfria e solidifica primeiro A parte b em virtude de seu volume permanece em temperaturas elevadas por mais tempo Quando a parte b solidifica a nervura a impede a sua livre contração Isto produz uma tensão que deforma toda a peça como mostra o tracejado As causas das tensões internas são1º resfriamento não uniforme 2º contração impedida As tensões internas provocam por sua vez deformações e fissuras na peça quente ainda no molde especialmente no caso de aço fundido assim como rupturas prematuras das peças prontas por pequenos golpes ou pelas tensões de serviço sobrepostas as tensões internas Fig 422 Deformações e tensões em peças fundidas 9 Para evitar estes defeitos o fundidor pode tomar as seguintes medias a Procurar a cada instante o resfriamento uniforme da peça Para tal retardase o resfriamento das partes mais finas da peça e acelerase o das mais grossas Isto pode ser obtido na prática por 1 Localização dos pontos de alimentação nas partes finas 2 Emprego de areia seca ou areia de machos má condutora de calor cercando as partes finas da peça e areia verde ou de ferrosilício boa condutora de calor nas partes espessas 3 Emprego de resfriadores internos ou externos para acelerar o abaixamento de temperatura das partes espessas 4 No caso de coquilhas pintura da coquilha com camadas boas ou más condutoras de calor 5 Retirada pouco depois da solidificação da areia contornando as partes grossas da peça de modo a acelerar o resfriamento pelo ar eventualmente com correntes de ar provocadas por ventilador Fig423 Fig 423 Retirada de areia logo após a solidificação na parte mais espessa para acelerar o resfriamento b Permitir a livre contração da peça no molde Isto pode ser obtido por 1 Uso de moldes verdes mias plásticos do que os moldes secos 2 Uso de machos ocos Fig 424 ou preenchidos com materiais que cedem facilmente Fig 425 4147 Tolerâncias dimensionais e sobremedidas para usinagem Generalidades Ainda que a peça seja projetada e fundida com todo o cuidado não é possível evitar que a mesma após a fundição apresente diferenças de peso e dimensões com relação às indicações do desenho Estas diferenças decorrem de tolerâncias na execução dos machos e modelos variações nas dimensões do molde em função do sistema de moldagem à mão ou à máquina modelo ou chablona grau de compactação do molde montagem dos machos fixação das caixas uma na outra temperatura do metal no vazamento resistência à livre contração temperatura da peça por ocasião da desmoldagem etc Fig 424 Utilização de machos oco Fig 425 Uso de machos preenchidos com materiais que cedem facilmente 10 4118 Projeto de peças fundidas tendo em vista a fácil usinagem Para reduzir o custo da usinagem o projetista deve observar as seguintes regras a Reduzir ao mínimo a superfície a usinar Sempre que possível a maior parte da peça deve ficar bruta de fundição usinandose apenas as zonas em que haverá ajuste com outras peças b Ressaltos e superfícies a usinar situados no mesmo lado devem ficar sempre que possível num mesmo plano Isto permite a usinagem da peça com uma única sujeição e sem alterar a ajustagem da ferramenta figura 426 Fig 426 Facilitar a usinagem de ressaltos 4149 Considerar uma espessura mínima de paredes Paredes muito finas não são bem preenchidas com metal líquido Em ligas como o ferro fundido o resfriamento mais rápido proporcionado por paredes finas pode resultar em pontos mais duros devido à influência que a velocidade de resfriamento exerce sobre a estrutura dessas ligas A Tabela 41 apresenta algumas recomendações para seções mínimas das peças fundidas TABELA 41 11 41410 Considerar as dimensões mínimas de orifícios A Tabela 42 serve como referência para as dimensões mínimas de orifícios TABELA 42 Regras gerais para a seleção do material Para a seleção do material mais adequado para uma determinada peça ou construção os seguintes fatores devem ser observados Solicitações mecânicas estáticas dinâmicas impacto tração compressão flexão torção cisalhamento e abrasão Solicitações químicas corrosão Temperatura de serviço Durabilidade Segurança de serviço Tamanho e forma Peso Condutibilidade elétrica térmica ou magnética Tipo de execução Número de peças Aproveitamento das sobras Prazo de entrega Propriedades do material Custo do material Disponibilidade do material Padronização dos materiais Reciclagem