Fundição sob pressão com e sem o uso de vácuo

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Este artigo descreve a conversão de um sistema de ventilação com uso de vácuo, para uma ventilação convencional na fundição sob pressão. A simulação computadorizada foi fundamental para corrigir defeitos potenciais no fundido, em razão da necessidade da alteração dos canais de alimentação e distribuição.

T. Trout, K. Ripplinger, A. Sholapurwalla, S. Scott, S Mittra, M. Diehm e Ole Köser

Data: 26/11/2016

Edição: FS Novembro 2016 - Ano - 27 N^o 287

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Nos dias de hoje, a indústria de fundição se vê forçada a produzir peças fundidas de alta qualidade, com custos de produção reduzidos e tempos de desenvolvimento mais curtos.
Neste sentido, a simulação computadorizada se revelou uma aliada na obtenção de diferentes economias de custo, tanto no desenvolvimento de processos, como na fase de produção.
Com a eliminação de falhas, redução de rejeições e retrabalhos, os fundidores alcançam um produto de melhor qualidade, assim como projetos mais eficientes, que proporcionam rendimentos mais elevados.
Na concepção de canais de ataque, canais de distribuição e aberturas de escape dos gases na fundição a alta pressão, procura-se obter um padrão de fluxo que reduza as inclusões de ar ou desloque o ar inteiro para as aberturas de escape e válvulas de ventilação.
Um método comum consiste na remoção do ar existente no sistema de injeção, com o uso do vácuo.
Apesar da fundição sob pressão com vácuo oferecer uma possível solução para a problemática indicada, ela significa custos adicionais em virtude dos componentes empregados na cavidade, assim como uma infraestrutura mais complexa da máquina de fundição.
Na Honda Engineering of North America, a fundição sob pressão com uso do vácuo foi substituída pela fundição sob pressão convencional sem vácuo, com ventilação forçada.
O motivo principal foi a necessidade de reduzir os custos e prazos.
Com vistas a isso, e levando-se em consideração o requisito qualidade, a empresa revisou todo o sistema, desde os canais de alimentação e distribuição.
O resultado foi um processo de fundição sob pressão convencional sem o vácuo, que forneceu bons resultados já na primeira tentativa.
A simulação numérica da fundição sob pressão foi primordial neste processo. Graças às tecnologias avançadas assistidas por computador, a simulação fornece informações valiosas, que apoiam o trabalho do engenheiro de fundição em uma fase prematura do desenvolvimento, reduzindo o tempo entre a concepção e a fabricação.

Desafios da fundição sob pressão com uso do vácuo

A fundição sob pressão com vácuo está associada a diversos desafios construtivos, que levaram a Honda Power Equipment a declinar o uso contínuo desta técnica.
Os fatores decisivos nesse sentido foram:

• Manutenção dispendiosa das matrizes. Em cada válvula de ventilação é possível economizar US$ 2 mil a US$ 3 mil.
• As placas de ventilação reduzem a capacidade de fechamento, pois diminuem a superfície útil e requerem uma força de fechamento maior.
• Maior formação de rebarbas na linha de separação, na área dos canais de resfriamento e das placas de ventilação. Em casos extremos, a rebarba pode alcançar as furações dos pinos de guia, o que impede o fechamento correto da matriz e provoca uma maior formação de rebarbas nos ciclos seguintes.

O maior desafio ao se substituir um sistema de ventilação com vácuo por um sistema convencional foi utilizar o máximo possível de canais de alimentação e distribuição, para evitar uma revisão completa dos insertos de matriz da placa de fixação.
Para isso, a empresa se valeu da simulação computadorizada.
Esta técnica se revelou uma ferramenta eficiente, permitindo o modelamento exato de todos os efeitos físicos baseados no processo de fundição. Assim, as variáveis de processo importantes podem ser identificadas e controladas de modo eficiente.
Com a visualização do processo de fundição completo em um ambiente virtual, os engenheiros detectam prematuramente os problemas no fluxo do metal líquido, na sua solidificação e na distorção do componente.
A simulação ainda possibilita o teste de novos conceitos de canais de alimentação e ventilação, assim como de novas técnicas de modelamento do processo
Na abordagem tradicional pelo método de tentativa e erro, isso seria impraticável, em razão dos custos elevados e dos tempos de desenvolvimento significativamente mais longos.
Para uma implementação bem sucedida da simulação assistida por computador na fase do projeto, é necessário cobrir uma ampla gama de tarefas relacionadas ao desenvolvimento.
Isso inclui o modelamento exato das propriedades do material para um grande número de ligas. Também deve ser possível descrever os parâmetros de processo, como por exemplo a temperatura de fusão, o momento da transição da primeira para a segunda fase de enchimento, as velocidades do pistão e o preaquecimento da matriz.
Na mudança do sistema de ventilação descrita, o programa de simulação também deve ser capaz de simular os impactos associados à peça acabada, possibilitando a análise da estrutura, para determinar as forças na placa de fixação.
Isso é necessário para entender se e como a matriz é deformada nas condições operacionais, e se ocorre a formação de rebarbas indesejadas na linha de separação.
Este artigo não se concentra no sistema a vácuo, mas na revisão do sistema de canais de alimentação e distribuição, em função da mudança para um projeto tradicional de ventilação.

Mudança do sistema de ventilação

Inicialmente, o projeto dos sistemas de canais de alimentação e distribuição da fundição sob pressão com uso do vácuo não foi alterado para o modelo de partida da simulação sem vácuo.
Conforme esperado, nesta configuração de partida houve uma piora da problemática das rebarbas. Adicionalmente, ocorreram problemas com entradas de ar e juntas frias (figura 1).
Na fundição sob pressão sem vácuo, o ar aprisionado ou redemoinhos de ar aprisionados são a causa da maioria dos defeitos nos componentes ou peças rejeitadas.
O posicionamento correto e o projeto dos canais de alimentação e aberturas de escape de ar têm importância fundamental no controle do enchimento das últimas áreas, reduzindo os defeitos nas peças.
Mesmo no projeto aqui descrito, um leiaute imperfeito do sistema de canais de alimentação poderia resultar em problemas no modelo de enchimento e em altos índices de rejeição.
Ao invés de modificar a matriz de acordo com o método de tentativa e erro, a simulação computadorizada foi utilizada para o desenvolvimento de um novo sistema de canais de alimentação.
A configuração de partida mostrou uma tendência à porosidade distinta na área do balancim e das aletas de resfriamento (figura 2). Portanto, foi necessário entender as causas dos problemas existentes nestas áreas críticas da peça.
O modelamento computadorizado mostrou que o banho de metal foi conduzido inicialmente para a área da abertura de escape do ar e reconduzido para o balancim, o que estava causando as entradas de ar observadas. Os balancins também foram as áreas solidificadas por último, o que motivou as porosidades.
Como motivo principal deste problema, foi identificado o projeto (de partida) dos dois canais de alimentação superiores, que não introduziam o fluxo na cavidade corretamente.
A figura 3 mostra algumas áreas problemáticas que ocorreram durante a mudança do sistema apoiado por vácuo, para o convencional (sem vácuo), com um sistema de canais de alimentação e distribuição inalterados.
Os defeitos relacionados ao fluxo, como por exemplo a mistura resultante do encontro dos metais quente e frio, pode resultar em um comportamento prejudicial à qualidade da peça acabada.
A mistura de metal quente e frio é reconhecível na junta fria apresentada na figura 1. Este defeito pode ser atribuído diretamente ao projeto desequilibrado dos canais de alimentação, assim como à incapacidade do sistema de ventilação remover o ar de modo eficiente.
Uma deficiência deste tipo normalmente só pode ser corrigida por meio da revisão dos sistemas dos canais de alimentação e distribuição, e de um eventual reposicionamento da abertura de escape do ar.
Em seguida, os engenheiros realizaram vários ciclos iterativos com os modelos modificados nas áreas problemáticas.
Os canais de alimentação foram alargados ou estreitados, com a finalidade de influenciar positivamente as características de fluxo nas áreas críticas. Estas medidas resultaram em um balanço térmico significativamente aprimorado, o que resultou na melhora do gradiente de temperatura em áreas problemáticas e eliminou a porosidade (figura 4).
A revisão do sistema de canais de alimentação apresentou entradas de ar claramente menores, em comparação com o modelo de partida.
A análise da velocidade das partículas também confirmou a otimização do comportamento do fluxo. Particularmente na área dos balancins e das aletas, foi observado um melhoramento significativo.
Graças ao sistema de canais de alimentação revisado, que permitiu um escape do ar mais eficiente pelas válvulas de ventilação, observou-se um enchimento mais lento da área do balancim do que no projeto de partida, em função da entrada de ar reduzida.
A revisão dos canais de alimentação inferiores também resultou em um melhor fluxo direcionado de baixo para cima, até as aberturas de escape.
A figura 5 mostra a porosidade de ar inferior reduzida na área dos balancins e das aletas, em comparação com o projeto de partida. Assim, foi confirmado que uma revisão do sistema de canais de alimentação resulta em uma melhor qualidade das peças.
Além disso, foram incorporadas válvulas de ventilação adicionais, para impedir as entradas de ar em outras áreas.
Também foi recomendado utilizar um inserto maior na abertura de escape do ar, com a finalidade de remover o ar da matriz de modo ainda mais eficiente.
Com as revisões efetuadas, foi possível reduzir também a tendência à formação de rebarbas na linha de separação.

Conclusões

Após a implementação das modificações no sistema de canais de alimentação, houve um aumento da porcentagem de peças sem defeitos (de 70% para 81,5%).
Também notou-se uma elevação da disponibilidade da instalação (de 71,5% para 89,5%), devido à redução dos tempos de parada.
Além disso, um menor tempo gasto na remoção de rebarbas se reverte em um menor potencial de problemas na prensa de rebarbação.
A revisão do sistema de ventilação descrita neste artigo resultou em uma economia de custos significativa, em comparação com o processo original, com o uso de vácuo