Machos fabricados com aglomerantes inorgânicos são utilizados em cabeçotes de motor

Este artigo descreve a introdução de machos aglomerados com ligantes inorgânicos na fundição da Volkswagen, na Alemanha. As etapas compreendidas desde a preparação do material de moldagem até a colocação dos machos na coquilha são apresentadas, além das suas propriedades e vantagens.


Hans-Helmut Becker, Raimund Rösch, Ferdinand Hansen, Günter Jäger e Sven Uhde

Data: 31/03/2017

Edição: FS Fevereiro 2017 - Ano 27 - No 290

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Evolução do processo de aglomeração inorgânica

Fig. 1 - Evolução do processo de manufatura de machos aglomerados com ligantes inorgânicos. Mistura de areia, aglomerante e aditivo – sopro do material na caixa de macho - cura do macho – extração. (Imagem da Associação dos Fundidores da Alemanha)

A manufatura de machos aglomerados com ligantes inorgânicos é dividida em quatro etapas.
A primeira tem início com a mistura de quantidades específicas de areia de quartzo, aditivo e aglomerante, para a formação do material de moldagem.
Na segunda etapa, o material de moldagem é transportado para a sopradora de machos e, em seguida, injetado por sopro.
A cura do macho é realizada na terceira etapa, quando a caixa de macho é aquecida pelo ar de gasagem ou lavagem.
Então, a caixa de macho é aberta, ele é extraído e transferido para processamento (figura 1).
Um sistema de moldagem em que a aglomeração da areia é feita com o uso de ligantes inorgânicos consiste em areia de quartzo (SiO2), aglomerante (solução de silicato modificada) e aditivo (substâncias minerais sintéticas e naturais).
O processo de cura consiste na condensação, que termina com a formação da sílica sólida (silicato).
O macho inorgânico fica com a resistência adequada para ser manipulado.
No contexto deste trabalho, a composição microscópica do macho inorgânico composto foi examinada com o auxílio de um microscópio eletrônico de varredura.
As superfícies dos grãos de areia de quartzo foram cobertas pelo agente de aglomeração (aglomerante com aditivo), presente na concentração de 30% a 60%.
O agente de aglomeração atua no espaço entre os grãos de areia, formando pontes entre os grãos de areia.
Uma ponte de aglomerante estável é reconhecida pela sua composição isenta de fissuras. Essa composição foi examinada via espectroscopia de raios X por dispersão de energia.
Os elementos químicos detectados foram o alumínio, silício, sódio, carbono e oxigênio.
Os elementos silício, oxigênio e sódio fazem parte da ponte de aglomerante, enquanto o carbono provém da preparação da amostra no microscópio eletrônico de varredura.

Composição do pacote de machos e peça fundida

A manufatura de machos descrita a seguir refere-se ao setor de produção de cabeçotes de cilindro dos motores 1,4 L com turboinjeção direta (TSI, de turbocharged direct injection), com potência de 90 a 110 kW.
No caso apresentado, o pacote é composto por sete machos:

Os machos totalizam 17 kg.
O vazamento é realizado com a liga AlSi10 Mg(Cu). O peso do metal por vazamento é de 22 kg, enquanto o cabeçote de cilindro pesava 13 kg após a usinagem preliminar.

Fig. 2 - Conceito de fabricação do cabeçote de cilindro de um motor com turboinjeção direta

A fabricação do cabeçote de cilindro

A fabricação de cabeçotes de cilindro é realizada de forma descentralizada.

A manufatura dos machos aglomerados com ligantes inorgânicos e a preparação do banho fundido de alumínio são realizadas diretamente no local de vazamento, que é equipado com uma mesa rotativa com seis máquinas de vazamento duplo.
Esta mesa, cujo diâmetro é de 12 m, é abastecida com machos por quatro sopradoras de machos individuais.
Depois do vazamento e do tempo de solidificação correspondente, os cabeçotes de cilindro são extraídos dos moldes permanentes (coquilhas) e transportados para o local de resfriamento (figura 2).

Sequência de manufatura dos machos aglomerados com ligantes inorgânicos

Na área de estocagem da areia, os materiais de moldagem básicos, como a areia de quartzo, o aditivo e o aglomerante, são armazenados em silos e recipientes.
Todas as três matérias-primas são pesadas automaticamente, conforme a receita especificada, e introduzidas no misturador.
O processo no misturador vertical demora aproximadamente 2 min.
Em seguida, a areia preparada é movimentada para o carro de transporte, esvaziando o misturador.
O carro de transporte é deslocado até a respectiva sopradora de macho, e elevado de modo que o material de moldagem possa ser depositado no funil de alimentação da sopradora, ao se abrir o fundo móvel do carro.
Depois do sopro e da cura do macho, este é extraído da caixa por meio de uma garra operada por robô, e colocado em cima da esteira transportadora.
Os dois tipos de machos da camisa d ́água são rebarbados automaticamente com o uso de robôs, em uma estação especial localizada no percurso para a esteira transportadora.
Os machos da camisa d’água e dos canais são extraídos manualmente no final das esteiras transportadoras, para controlar a integridade dos contornos, sendo então depositados em bandejas.
As bandejas equipadas com os machos da camisa d’água e dos canais são movimentadas no transportador de roletes em direção à mesa rotativa de vazamento, a partir das duas estações de montagem dos machos.
Todas as bandejas passam por uma câmera de controle, que examina a integridade dos machos.
Os machos de cobertura e de inserção são soprados em duas sopradoras posicionadas em oposição, extraídos da caixa de macho aberta por um sistema de garras, e submetidos ao feixe de luz de outro sistema de iluminação e câmera de controle.
Com o diagnóstico satisfatório do contorno do macho, eles são depositados na bandeja em cima dos machos já existentes neste local.

Fig. 3 - Pacote de machos

Assim, o pacote de machos com 17 kg fica completo (sete machos, figura 3).
O tempo de ciclo por pacote de machos é da ordem de 30 s.
O ciclo é constituído da manufatura contínua, sem marcações de macho.
A distância a partir da montagem das bandejas até a colocação dos pacotes de machos completos dentro da co quilha, na mesa rotativa de vazamento, é de aproximadamente 12 m.
Um braço manipulador operado por robô retira dois pacotes de machos das bandejas na esteira transportadora e os deposita na máquina de vazamento duplo em posição de espera, depois de um giro de 180°.
A máquina de vazamento duplo os move para a próxima posição e as duas coquilhas são abastecidas simultaneamente com o banho fundido de alumínio, com o uso de duas colheres.
Em seguida, a mesa rotativa avança novamente, o banho fundido solidifica e os cabeçotes de cilindro são extraídos.
A manufatura contínua dos machos requer a sua cura rápida. Isso é possível com o uso do sistema de aglomerante Cordis, da empresa Hüttenes-Albertus Chemische Werke GmbH (Alemanha).

Conclusões

As vantagens dos machos aglomerados com ligantes inorgânicos, em comparação com os sistemas orgânicos, podem ser resumidas da seguinte forma:

A inexistência de produtos de pirólise no processo com aglomerante inorgânico resulta em propriedades melhores das caixas de macho e dos produtos fundidos, evita investimentos no sistema de exaustão e facilita as licenças de operação pelas autoridades de inspeção.
A tecnologia de machos aglomerados com ligantes inorgânicos na fabricação de cabeçotes de cilindro permite uma manufatura seriada segura.
Os machos produzidos desta forma podem ser manipulados por sistemas operados por robôs e transportados em bandejas.
Um aglomerante inorgânico escolhido, em combinação com a cura do macho otimizada na caixa aquecida com ar de lavagem, é apropriado para a fabricação contínua direta de cabeçotes de cilindro.