A produção de fundidos com o uso de materiais de moldagem aglomerados com argila depende fortemente da sua compactação durante a fabricação do molde, já que a qualidade de uma peça fundida é fortemente influenciada pela qualidade do molde, além de outros fatores. Deste modo, a moldagem tem quase a mesma importância para este método de produção de fundidos, que os processos de enchimento do molde, solidificação e resfriamento.

Na determinação da tecnologia de moldagem, o fundidor enfrenta uma série de questões, cuja solução requer o uso de sua experiência prática, sem a possibilidade de se recorrer a conhecimentos teóricos seguros. Apesar disso, muitas vezes a técnica de moldagem é aplicada no chão de fábrica pelo método de tentativa e erro, o qual consome muito tempo e gera altos custos.

As áreas problemáticas envolvidas são as seguintes:

• a extração do bolo de areia verde do modelo

• a distância dos modelos até a parede da caixa de moldagem e entre os modelos, para otimizar a ocupação da área da placa modelo

• a escolha de materiais de moldagem apropriados

• a escolha da altura do quadro de enchimento

• a quantidade de dosagem do material de moldagem

As máquinas de moldagem mais novas possibilitam a compactação do material de moldagem utilizando processos diversos (prensagem, prensagem por fluxo de ar, compactação por impulso, pré-impulso, impulso com pós-pensagem). Neste caso, o fundidor também enfrenta algumas questões:

• Qual o processo de compactação ou qual combinação de processos deve ser utilizado?

• Durante quanto tempo as forças de compactação devem ser aplicadas?

• Em qual sequência as forças de compactação devem ser aplicadas?

Aqui, novamente resta ao fundidor experimentar, pois não há regras cientificamente seguras.

No final, todos estes problemas resultam em uma questão: Será que os moldes ou peças moldadas, os quais foram fabricados com material compactado, suportam as solicitações de todas as etapas de sua utilização, como a extração dos bolos (separação da caixa de moldagem e da placa modelo), a inversão e o transporte do molde, a inserção dos machos, o fechamento do molde, e o enchimento do molde com metal líquido e durante a contração do metal na solidificação e resfriamento (figura 1)?

Os critérios para a avaliação da usabilidade de um componente ou de uma construção metálica, em relação ao atestado de segurança (engenharia mecânica) ou ao atestado da capacidade de carga (construção de aço), já são conhecidos há muito tempo pela ciência de resistência dos materiais.

Atestado de segurança (engenharia mecânica):

Atestado da capacidade de carga (construção de aço):

As equações 1 e 2 mostram as expressões matemáticas para o cálculo do atestado. Em outras palavras, nestes cálculos são estabelecidas as relações entre as solicitações e as resistências de uma construção técnica.

Quando esta relação não excede o valor 1, é possível utilizar o componente ou a construção sem a necessidade de contar com a sua falha.
Para o aprofundamento científico e o estabelecimento de regras para a solução dos problemas 

Fig. 1 – Definição dos problemas na tecnologia de moldagem

mencionados, é necessário considerar o molde como sendo um componente para a formação da peça fundida e comprovar a sua usabilidade por meio da constatação de que as solicitações são menores do que as resistências em todas as fases de sua utilização.

O resultado disso é a correlação apresentada na figura 2, com a qual é possível determinar as resistências a partir da distribuição da densidade no molde e no material de moldagem, ou seja, a resistência de uma porção do molde contra as falhas.

Quando estes dois componentes são ampliados pelas condições de moldagem e de vazamento, com a ocupação da placa modelo e a geometria do modelo, estas grandezas possibilitam a determinação das forças que ocorrem durante a utilização do molde. Desta maneira, é possível calcular as solicitações da peça moldada.

Ao comparar as solicitações determinadas e as resistências, torna-se possível comprovar a usabilidade do molde. Assim, uma avaliação da qualidade do molde é possível antes mesmo do seu enchimento.

Em um projeto de pesquisa apoiado pela Associação de Fundidores Alemães (VDG), foram realizados estudos para a determinação do comportamento da extração dos bolos, levando em conta os itens mencionados.

Quebra dos bolos como defeito de fundição

A extração de bolos com qualidade adequada durante a separação da caixa de moldagem da placa modelo tem uma importância significativa para a produção de moldes confeccionados com materiais aglomerados com argila. As vantagens são:

Fig. 2 – Grandezas de influência para a certificação da empregabilidade de um molde

 

Fig. 3 – Os defeitos de fundição são provocados devido à erosão dos moldes sem caixa

• a redução da rejeição do molde, pois o bolo se mantém intacto

• a não necessidade de se utilizar machos na moldagem de partes da peça fundida

• a redução da usinagem mecânica, por meio da redução do ângulo de saída

• o aumento da produção de fundidos por caixa de moldagem

Na fabricação do molde, podem ocorrer problemas durante a

Fig. 4 – Resistência e densidade dos materiais do molde no contorno das placas modelo e na superfície de separação do molde sem, caixa durante o preenchimento do material do molde (a) e após a compactação (b)

 

separação da caixa de moldagem da placa modelo, que se manifestam em defeitos de fundição após o vazamento (figura 3).

Estes defeitos ocorrem quando a força de adesão entre o bolo e o contorno da placa modelo é maior

do que a força de coesão do material de moldagem na interface do bolo. Estes dois parâmetros (força de adesão e força de coesão) dependem da compactação do material de moldagem no contorno da placa modelo e na interface do bolo.

Durante a introdução do material de moldagem na caixa não ocorre nenhuma força, já que o material de moldagem ainda não foi compactado (figura 4).

Para o bolo cônico indicado na figura 5, A. Schröder^[5,6] apresentou uma descrição matemática (equação 4) para o cálculo das propriedades funcionais do molde. No entanto, ele não realizou uma validação experimental destas declarações^[7-14].

Onde:

R_m = resistência à tração média

A(x) = interface do bolo

SBR = coeficiente de segurança da separação do bolo

G(x) = peso do bolo

R(x) = força de atrito do bolo

T(x) = força de aceleração do bolo

S = força de sucção do bolo

x = distância da superfície de separação da base do bolo

Na figura 5, é possível reconhecer que a coesão na superfície de ruptura do bolo deve ser maior do que a adesão no contorno do modelo, com a finalidade de se evitar a quebra do bolo.

A força de coesão (F_Co) pode ser descrita pela seguinte equação:

A força de adesão (F_AD), por sua vez, é determinada por:

Considerando-se que o diâmetro do bolo (d) é igual à sua altura (h), tem-se a equação:

 

Ao se multiplicar ambos os lados da equação por π/4 • d² , é possível obter a relação F_Co ≥ 1/5 F_AD ou, em outras palavras, 5 F_Co ≥ F_AD. Isso significa que a força de coesão do material de moldagem na parte interna do bolo deve ser cinco vezes maior do que a força de adesão do material de moldagem no contorno do modelo.

Tanto a força de coesão como a força de adesão dependem da densidade ( ρ), dapressão de compressão (p), da compactabilidade (VD) e dos coeficientes de atrito (μ) nas partes interna e externa. Isso quer dizer que ambas as forças são determinadas pelos

Fig. 5 – Molde sem caixa cônico

 

parâmetros de moldagem e pela geometria do modelo.

A máquina de moldagem Multi-Compact

No Institüt für Maschinenbau, da Technik Universität Bergakademie

Fig. 6 – Máquina de moldagem universal Multi Compact

Freiberg, estão sendo realizados trabalhos de pesquisa em escala piloto. Estes estudos utilizam a máquina de moldagem universal Multi Compact (figura 6), tendo por base os trabalhos teóricos de A. Schröder e H. G. Levelink.

O equipamento em questão foi desenvolvido, projetado e construído por estudantes da universidade, permitindo o exame da ocorrência de quebras do bolo sob condições próximas da realidade. A máquina de moldagem trabalha com caixa de 500 x 400 x 200 mm e um quadro de enchimento com 150 mm de altura.

 

Fig. 7 – Cabeçote de compressão da máquina de moldagem com comando hidráulico

O cabeçote de prensagem com múltiplos pistões (figura 7) serve para a compactação do material de moldagem.

Fig. 8 – Dispositivo de medição das forças de adesão e de coesão

A medição da força de extração do bolo

A força de coesão é muito importante para o comportamento de quebra do bolo. Para a medição desta força, foi desenvolvido um método de medição (figura 8).

No caso, foi instalado um dinamômetro no fundo da placa modelo, com o auxílio de um flange conectado a ela por um parafuso de

Fig. 9 – Relação entre a densidade e eriala resistência à tração dos materiais de moldagem

transmissão de força. A conexão não é realizada diretamente, mas sim via um alojamento do modelo do bolo, o qual é encaixado na placa modelo, limitando a sua mobilidade vertical.

O corpo do modelo do bolo real é colocado neste elemento básico, sendo fixado com parafusos. Desta forma, é possível testar diferentes materiais e geometrias do modelo (ângulo de saída, comprimento, largura e altura).

Exames de laboratório das propriedades do material de moldagem

Para determinar a resistência do material de moldagem na interface do bolo, foram realizados ensaios em escala laboratorial, com cujo auxílio foi possível determinar a relação entre a densidade e a resistência à tração (figura 9).

Fig. 10 – Relação entre a densidade do material do molde e a pressão de compactação

Foi possível constatar que a resistência à tração também aumenta com a elevação da densidade, atingindo um valor máximo. Para evitar a quebra do bolo, é necessário ajustar uma densidade exata. Ela é influenciada pela pressão de compressão e pela compactabilidade do material de moldagem (figura 10) nas condições práticas.

Com o auxílio do sensor desenvolvido pelo Institüt für Maschinenbau, foi possível medir a densidade do material de moldagem diretamente no molde. Para isso, o sensor foi instalado diretamente na placa modelo (figura 11).

Condições dos ensaios

Nos ensaios realizados, foi examinada a relação entre a força de coesão e a força de adesão, variando-se os parâmetros geométricos (comprimento, altura e ângulo de inclinação da saída). A pressão de compressão também foi alterada. A largura do modelo do bolo ficou constante.

A compactabilidade escolhida foi de 40% e a velocidade de separação alcançou 15 mm/s. A variação dos parâmetros de ensaio foi realizada com o auxílio do planejamento estatístico das experiências (tabela 1).

O poliuretano foi escolhido como material utilizado na confecção do modelo.

Avaliação dos resultados

A avaliação dos dados resultou no seguinte polinômio matemático:

Os resultados mostram que tanto o comprimento como a altura do bolo não exercem qualquer influência significativa sobre as forças, no caso das dimensões escolhidas. Por este motivo, os valores no diagrama (figura 12) foram ajustados para o valor do nível principal, com um comprimento do bolo de 90 mm e uma altura de 45 mm.

O diagrama também confirma que o ângulo de inclinação da extração na

Fig. 11 – Sensor de densidade na placa modelo

 

 

faixa de 1o a 2o não exerce nenhuma influência significativa sobre as forças. A influência principal é exercida pela pressão de compressão, que quando elevada resulta em uma força maior, de modo que o bolo pode ser extraído da placa modelo com alta qualidade.

Medições da pressão efetiva

Em estudos posteriores, foram instalados sensores de pressão

Fig. 12 – Relação entre a força, o ângulo de inclinação da extração e a pressão de compressão

adicionais, além do sensor da pressão de compressão, com o objetivo de medir a pressão efetiva no plano e no fundo do bolo (figura 13), variando-se a pressão de compressão.

A figura 14 apresenta a correlação entre a pressão de compressão e as pressões efetivas no plano de ruptura do bolo e no fundo do modelo. É possível reconhecer que a pressão efetiva na superfície de ruptura do bolo é substan-

Fig. 13 – Sensores de pressão no plano de ruptura do molde sem caixa e no fundo do modelo

cialmente maior do que a pressão efetiva no fundo do modelo. Ela também aumenta mais com uma pressão de compressão crescente.

A diferença alcança 7 bar, com uma pressão de compressão de 12 bar, o que significa que o material de moldagem possui uma compactação cinco vezes maior na superfície de ruptura do que o material de moldagem no fundo do bolo. Este é o motivo do desenvolvimento de altas forças de coesão e para a ultrapassagem da força de adesão no contorno do modelo.

Deste modo, o bolo pode ser extraído com uma qualidade adequada.

Teste da usabilidade do bolo formado

Para testar a usabilidade do bolo durante o enchimento do molde e a solidificação, foi efetuada a moldagem de uma cavidade do molde utilizando um modelo com 166 mm de comprimento, 72 mm de largura e 66 mm de altura.

Em seguida, a cavidade foi preenchida com banho fundido, através de canais de alimentação. O sistema de vazamento foi posicionado verticalmente e no centro do

Fig. 14 – Relação entre a pressão efetiva e a pressão de compressão nos diversos planos

Fig. 15 – Componente fundido com molde sem caixa aplainado, de boa qualidade

eixo do bolo, para possibilitar uma alimentação pelo lado e no centro do bolo (figura 15).

Conclusões

Os estudos mostraram que é necessário ajustar tanto os parâmetros do material de moldagem com de compactação de modo sincronizado, comafinalidade de se obter peças fundidas de qualidade, com o uso de bolos de areia verde. É fundamental utilizar uma relação otimizada entre a força de coesão no bolo e a força de adesão no contorno do modelo.

Neste caso, o parâmetro dominante é a pressão de compressão, com a qual o material de moldagem é compactado. No entanto, independentemente disso, as propriedades do material de moldagem devem ser escolhidas de modo que o valor máximo da resistência à tração seja alcançado com a pressão de compressão aplicada.