fundição sob pressão - udesc · seqüência de trabalho em um máquina de câmara fria: •...
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Aula 14 : Processos de Fundição Sob Pressão
01: Introdução
Princípio, classificação e potencialidades do processo.
02. Fundição sob pressão em cãmara quente
03. Fundição sob pressão em cãmara fria
04. Parâmetros de Processo
05. Processo de fundição sob pressão à vácuo
06. Processos a Baixa Pressão
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran Dr. Eng. Metalúrgica
Fundição sob Pressão
Princípio do Processo
Processo que utiliza um molde metálico estacionário ( MATRIZ) no qual o metal líquido é introduzido usando altas pressões.
Classificação dos Processos
Classificados em função do tipo de
equipamento utilizado
Câmara Quente
Câmara Fria
Processos Fundição Sob Pressão Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
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Placa Móvel
Ejetores
Ataque
Placa Fixa
Matriz
Pistão
Peça
Câmara de Injeção
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Potencialidades do Processo
O processo permite obter:
• Peças com seções muito finas ( <0,2mm).
• Reprodução de detalhes finos.
• Elevada precisão dimensional
• Excelente acabamento superficial
Peças Complexas
Peças “NET SHAPE”
• Altas Produtividades.
• Adequado para automação.
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Fundição Sob Pressão em Câmara Quente
Pistão
BocalPescoço
de ganso Cilindro
hidráulico
Forno
Semi-molde ejetor
Semi-molde fixo
• O sistema de injeção encontra-se mergulhado no metal líquido e o arranjo permite o enchimento do molde em curto tempo com baixa perda de temperatura do metal.
• Utilizado para ligas com baixos pontos de fusão:
Mg – Zn – Sn - Pb
• Peças de até 23Kg
• Ligas de Al em dispositivos sem êmbolo à base de ar comprimido.
Características Gerais
Processos Fundição Sob Pressão Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Principais componentes de uma Máquina de Fundição S ob Pressão em Câmara Quente
Acumulador
PistãoPlacas
MatrizPescoço de Ganso
Bico
Sistema de Fechamento
Processos Fundição Sob Pressão Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
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Sistema de canais no processo de Fundição Sob Press ão em Câmara Quente
Processos Fundição Sob Pressão Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Sistemas de Injeção do Tipo Câmara Quente
• à base de êmbolo.• por imersão à base de ar comprimido.
• à base de ar comprimido com válvula submergida.
• para ligas de Mg.
Parâmetros de Processamento:
• Pressão de Injeção = 50 a 130 Kg/cm2.
• A quantidade de metal varia de acordo com o tamanho do colo de cisne (pescoço de ganso).
• Produtividade = 50 a 500 tiros/hora.
• Máquina Especiais de Alta Produção = 2000 a 5000 tiros/h.
Fundição Sob Pressão em Câmara Quente
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Materiais Utilizados no Equipamento:
• COLO DE CISNEFerro Fundido Cinzento ou Nodular - Aço
• A escolha do material depende do tipo de metal, da pressão de operação e do custo.
• CAMISA e BICOAço H13 – Aço Ligado Nitretado ou Aço Inox
• Peças sujeitas ao calor, atrito e pressão mecânica.• Uma camisa pode durar até 2000h de trabalho.
• PISTÃO Ferro Fundido Cinzento
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Seqüência Operacional:
Fechamento do Molde
Fixação da Tubulação de Injeção
Injeção
Retrocesso do Êmbolo
Separação do Bico de
Injeção
Abertura do Molde
Extração dos Machos
Extração das Peças
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Fundição Sob Pressão em Câmara Fria
• O sistema de injeção não fica mergulhado no metal líquido.
• Cada vez mais utilizado em função das exigências crescentes quanto a qualidade das peças injetadas.
• Utilizado para ligas com maiores pontos de fusão:
Cu – Al - Mg – Zn
Características Gerais
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Principais componentes de uma Máquina de Fundição S ob Pressão em Câmara Fria
Acumulador
Pistão
Placas Sistema de Fechamento
Matriz
Câmara de Injeção
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Sistema de canais no processo de Fundição Sob Press ão em Câmara Fria
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Esquema mostrando os elementos da cavidade de uma matriz para Fundição Sob Pressão em Câmara Fria (sistema de canais de
enchimento, bolsões e saídas da ar, cavidade da peça
Cavidade (peça)
0verflow – Bolsão de Ar
Vents – Saídas de Ar
Canais de Enchimento
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Sistema de Alimentação da Máquina com Metal Líquido :
• Manual com uma colher.
• Por forno basculante e canal de alimentação.
• Mediante um cadinho hermeticamente fechado e no qual atua uma pressão pneumática sobre o banho.
• Por meio de uma bomba eletromagnética.
• Por um braço mecânico (ou robô) com um dosador.
Sistema de Injeção:
• Produtividade: 2 a 5 injeções/minuto.
• Acionamento do pistão por pressão de óleo ou água.
• Pressão de injeção na faixa de 560 a 3000 kg//cm2.
• Velocidade de injeção na faixa de 0,1 a 7,0 m/s.
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Classificação das Máquinas de Acordo com os Princíp ios Construtivos
Máquina de Câmara Fria Horizontal
Máquina de Câmara Fria Vertical
Deslocamento do Embolo de pressão para cima.
Deslocamento do Embolo de pressão para baixo.
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Seqüência de Trabalho em um Máquina de Câmara Fria:
• Fechamento do Molde.
• Introdução do metal na câmara de pressão.
• Injeção do metal.
• Abertura do molde.
• Extração dos machos
• Expulsão ou extração da peça fundida.
• Retrocesso do êmbolo de pressão.
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Preenchimento da câmara com concha manual
Cavidade do molde
Pistão
Câmara de injeção
Injeção do alumínio para a cavidade do molde.
Extração do produto
Ciclo do Processo de Fundição sob Pressão em Máquina de Câmara Fria Horizontal
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Ciclo do Processo de Fundição sob Pressão em Máquina de Câmara Fria Vertical
Pistão de injeção
Alumínio líquido
Pinosextratores
Injeção
Contra pistão
Preenchimento da cavidade do molde
Ejeção do material residual ( massalote ).
Tiro do produto
Extração do produto
Varões extratores
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Parâmetros de Processamento:
Ligas de Alumínio
• Temperatura da Matriz ≅ 2500C
• Vida Útil da Matriz de 100.000 a 150.000 ciclos.
Produção: Exemplos
• Conjuntos de até 5,0 Kg • 30 a 60 ciclos/h em Máquina Automática
• Conjuntos de até 1,2 Kg • 40 a 120 ciclos/h em Máquina Semi-automática.
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Parâmetros de Injeção:
Estágios da Injeção
A injeção pode ser separada em três estágios distintos:
Primeiro estágio : o pistão avança com velocidade lenta
Segundo estágio: na qual metal preenche a cavidade do molde.
Terceiro estágio: é a fase de compactação do metal na cavidade, chamada de Recalque.
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Parâmetros de Injeção:
Velocidade de Injeção
a) Velocidade de Primeira Fase de Injeção
É a velocidade de aproximação do pistão. É controlada por uma válvula controladora de fluxo. Nesta fase de Injeção, o pistão avança lentamente não permitindo que o metal líquido sofra qualquer turbulênciaevitando que bolhas de gases e ar venham a ser aprisionadas e injetadas para dentro da cavidade do molde
b) Velocidade de Segunda Fase de Injeção
É a velocidade com que o metal líquido preenche a cavidade do molde. É função da espessura e complexidade do produto a ser injetado.
Peças com paredes finas Peças muito complexas
Maiores velocidades de injeção para compensar a rápida troca de calor entre a superfície do molde e o metal líquido
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Parâmetros de Injeção: Estágios
• Primeiro estágio : o pistão avança com velocidade lenta para expulsão do ar e gases da câmara de injeção.
1a Fase2a Fase
A primeira fase termina quando todo Volume Hidráulico da câmara está ocupada pelo metal líquido e pode ser calculado para facilitar na definição dos paramentos de Injeção.
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Segundo estágio: no qual metal preenche a cavidade do molde .
É o curso restante do pistão. Preenche a cavidade do molde com maior velocidade imediatamente após o término da primeira fase de Injeção.
O curso de Injeção é calculado sempre a partir da posição inicial do pistão que deve facear o orifício de alimentação da câmara .
É importante que o pistão tenha sempre o mesmo comprimento pois sua variação provocará variações no comportamento do alumínio durante o preenchimento da cavidade.
Pistão menor que o
padronizado
A segunda fase iniciará antes que todo o alumínio ocupe o volume hidráulico da câmara
INJEÇÃO DE ARjunto com o alumínio para dentro da cavidade do molde.
Pistão maior que o
padronizado
Penetração antecipada o alumínio para dentro da cavidade antes do inicio da segunda fase
Peças com JUNTAS FRIAS.
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Segundo estágio: Influência do comprimento do pistão sobre o regime de injeção e os prováveis defeitos.
Normal
Avançado
Recuado
2a fase 1a fase
Pistão maior que o padronizadoJuntas Frias
Pistão menor que o padronizadoPorosidades
Uma vez definida a câmara de injeção para um molde, em umadeterminada máquina, o diâmetro do pistão e comprimento da hasteautomaticamente são definidos e a partir destas definições é que sãodeterminadas os parâmetros das máquinas.
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É o responsável pela compactação final do material injetado imediatamente após a segunda fase de Injeção, compensando a contração de solidificação do alumínio, diminuindo a ocorrência de porosidades
Terceiro estágio: Recalque.
É utilizada em peças de paredes grossas e que sejam alimentadas por canais generosos para permitir a transmissão de pressão sem que solidifique antes o alumínio dentro da cavidade
Determina:
• Força de Injeção da Máquina.
• Pressão Específica Final de Injeção
• Responsável pela sanidade(estanqueidade) da peça, uma vez que durante a solidificação o metal contrai, necessitando assim de uma massa adicional que será transferida por pressão ainda no estado semi-sólido (pastoso).
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Parâmetros de Injeção:
Força de Injeção É obtida através da pressão hidráulica da rede oumultiplicada da Injetora, dividida pela área doêmbolo de injeção.
Pressão Específica de Injeção
Resultante da Força de Injeção da Máquina dividido pela Área do Pistão de injeção. Ou seja, é a força aplicada a cada cm2 de metal injetado.
A pressão específica (Pe) podeser regulada na máquina,dependendo do tipo de peça, estevalor pode ser estipulado peloprojetista.
Peças standard 200 – 400 kgf/cm2
Peças técnicas 400 – 600 kgf/cm2
Peças estanques 600 – 1000 kgf/cm2
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Parâmetros de Injeção:
Força de Fechamento
Os diversos tipos de máquinas injetoras que são produzidas,geralmente são identificadas pela capacidade da Força deFechamento.
- Máquina de 630 T = a capacidade desta manter as placas fechadase travadas até 630.000 kgf de Injeção, que é determinada pelaPressão Específica ( Pe ) multiplicada pela área projetada do molde.
Exemplo:
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Primeiro Estágio
Processo de Fundição sob Pressão a Vácuo
• O vácuo é aplicado no banho fundido que está no forno.
• O metal fundido é aspirado para a câmara de injeção da máquina, com o objetivo de obter um grau de enchimento de 30 a 40 %
Aspiração do metal fundido do forno para a câmara de injeção.
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Processo de Fundição sob Pressão a Vácuo
Segundo Estágio
•. Desta forma o metal fundido é pressionado contra o canal de ataque da matriz, o que ocorre sob baixas velocidades que variam de 0.2 a 0.5 m/s.
• O pistão avança e efetua a vedação do tubo de aspiração do metal no forno.
Transporte do metal fundido do forno para o canal de ataque.
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Processo de Fundição sob Pressão a Vácuo
Terceiro Estágio
Preenchimento da Matriz
• As válvulas de vácuo fecham e o metal fundido é injetado a alta velocidade na cavidade da matriz
• Corresponde a segunda fase do processo de fundição sob pressão convencional
• Velocidades típicas do metal fundido entre 2 e 5m/s para tempos de enchimento de 30 a 70 ms.
Processos Fundição Sob Pressão Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
• Após o preenchimento completo da matriz efetua-se a pós-compressão em que o metal fundido é submetido a alta pressão até a sua solidificação completa.
Processo de Fundição sob Pressão a Vácuo
Quarto Estágio
Compressão Final
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Processo de Fundição sob Pressão a Vácuo
Controle da Injeção
• Através deste processo é possível obter o registro e a análise de um conjunto de até 40 parâmetros para o tipo de processo de fundição individual;
• Para se obter peças fundidas com qualidade homogênea, todas as máquinas são equipadas com um sistema próprio de controle de injeção desenvolvido na empresa para a visualização dos parâmetros do processo.
Processos Fundição Sob Pressão Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Processos de Fundição a Baixa Pressão
Baixa Pressão Aspiração à Vácuo
Processos Fundição Sob Pressão Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
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O processo de injeção sob pressão é regido por uma série de parâmetros, que adequadamente determinados e ajustados, resultam em uma peça injetada de qualida de.
Na injeção sob pressão, o defeito mais comum nas peças obtidas é a porosidade interna.
Porosidade Interna .
Ar aprisionado no metal líquido
Contração na Solidificação
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Formação de defeitos em peças fundidas sob pressão
Principais Defeitos em Peças Injetadas
Solda Fria
Porosidades
• Combinação dos dois efeitos
• Contração do metal
• Gases aprisionados no metal
• Baixa Velocidade na Segunda Fase
• Baixa Temperatura do Metal
Processos Fundição Sob Pressão Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
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Influência dos Parâmetros de Injeção na Formação de Defeito s
• Velocidade lenta de injeção
Velocidades muito altas do pistão⇓
Formação de uma onda⇓
Aprisionamento e mistura do ar no alumínio liquido
[BREVICK, DURAN, KARNI, 1991][GARBER, 1982][ SHEPAK, 1963 ]
Velocidades muito baixas do pistão ⇓ Aprisionamento de ar pela onda
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Influência dos Parâmetros de Injeção na Formação de Defeito s
• Velocidade rápida de injeção
Velocidade da fase responsável pelo
preenchimento da peça. ⇓
Tempo de Enchimento da Peça e Velocidade no Canal
de Ataque.
Velocidades muito baixas⇓
Falhas de preenchimento e solda fria
Velocidades muito altas⇓
Porosidades
[KARBAN, 2001 ] [SYRCOS, 2002]
Processos Fundição Sob Pressão Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
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Influência dos Parâmetros de Injeção na Formação de Defeito s
• Pressão de Recalque
Pressão responsável pela compactação da
peça durante a solidificação do
metal.
A densidade da peça aumenta com a intensificação da pressão.
[GARBER & DRAPER, 1979]
O aumento da pressão é inversamente proporcional ao
percentual de porosidade.
[KAYE & STREET, 1982 ]
Processos Fundição Sob Pressão Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Simulação Aplicada ao Processo de Injeção
A simulação do preenchimento de cavidades em processos de fundição sob pressão é uma área de pes quisa muito atrativa devido ao elevado interesse industri al
Os programas mais conhecidos:
Diferenças Finitas
AFS, CASTech, FLOW-3D, NovaFlow, MAGMASOFT, MAVIS
ElementosFinitos
ProCAST, WRAFTS, THERCAST, Vulcan, WinCast
Volumes Finitos
PAM-CAST, ViewCast
Processos Fundição Sob Pressão Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
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REBELLO, M. A. ; Dissertação de Mestrado Comparação entre a Simulação Via CAE-CAM e os Resultados Experimentais na Fundição Sob Pressão de Ligas de Alumínio. PGCEM - 2000.
Projeto de Pesquisa : Comparação entre a Simulação Via Software e os Resultados Experimentais na Fundição Sob Pressão de Ligas de Alumínio 1999-2001
Prof. Guilherme Verran – Coordenador
Marco Antônio Rebello – Mestrando
Carlos Gomes de Oliveira – Bolsista PIBIC_CNPq_Udesc
Pesquisas Realizadas no Labfun – Grupo de Pesquisa em Fundição e Metalurgia
Processos Fundição Sob Pressão Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Enchimento de 70% da Peça
V = 3,15 m/sV = 1,75 m/s
Temperatura da frente menor que T liquidus
Ocorrência de Solda Fria nas Peças
VERRAN, G. O. ; REBELLO, M. A. ; OLIVEIRA, C. G. . Comparação entre a Simulação Via Software e os Resultados Experimentais naFundição Sob Pressão de Ligas de Alumínio. FUNDIÇÃO & SERVIÇOS , SÃO PAULO, v. 11, n. 105, p. 24-31, 2001.
Processos Fundição Sob Pressão Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
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Para baixas velocidades a
frente de enchimento apresenta
temperaturas menores que
Tliquidus a partir de 40% do
enchimento
Variação da temperatura da frente de enchimento para
diferentes velocidades de injeção
VERRAN, G. O. ; OLIVEIRA, C. G. ; REBELLO, M. A. . Influência da Velocidade de Enchimento sobre a Formação de Defeitos em Peças de Alumínio: Simulação Numérica Vs. Resultados Experimentais. In: 14 CBECIMAT- CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 2000, SÃO PEDRO. ANAIS DO 14 CBECIMAT, 2000. p. 42201-42210.
Detalhe da peca injetada com V = 1,05 m/s, mostrando a ocorrência de Solda Fria
Variação do tempo de enchimento em função da
velocidade de injeção.
VERRAN, G. O. ; OLIVEIRA, C. G. ; REBELLO, M. A. . Influência da Velocidade de Enchimento sobre a Formação de Defeitos em Peças de Alumínio: Simulação Numérica Vs. Resultados Experimentais. In: 14 CBECIMAT- CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 2000, SÃO PEDRO. ANAIS DO 14 CBECIMAT, 2000. p. 42201-42210.
Processos Fundição Sob Pressão Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
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Pesquisas Realizadas no Labfun – Grupo de Pesquisa em Fundição e Metalurgia
MENDES, R.P. K. - Dissertação de Mestrado. PGCEM – 2005.
Projeto de Pesquisa : INFLUÊNCIA DOS PARAMETROS DE PROCESSO NA FORMAÇÃO DE DEFEITOS EM FUNDIÇÃO SOB PRESSÃO
Prof. Guilherme Verran – Coordenador
Rui Patrick Konrad Mendes – Mestrando
Marco Aurélio Rossi – Bolsista PIBIC_CNPq_Udesc
Processos Fundição Sob Pressão Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Tampa para motor de compressor duplo cilindro
VERRAN, G. O.; MENDES, R. P. K. ; ROSSI, M. A. . Influence of Injection Parameters on Defects Formation in Die Casting Al12si1,3cu Alloy: Experimental Results and Numeric Simulation (Online publication DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2006.03.089). Journal of Materials Processing Technology , Ireland, v. 179, n. 2, p. 190-195, 2006. Die Casting.
Processos Fundição Sob Pressão Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
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Testados três parâmetros de injeção:
- Velocidade da 1º Fase em 3 níveis- Velocidade da 2º Fase em 2 níveis
- Pressão de recalque em 3 níveis
DOE (Design of Experiments)
Experimento:
- 18 combinações de parâmetros- 5 tiros para cada combinação- Total de 90 amostra analisadas
VERRAN, G. O. ; MENDES, R. P. K. ; VALENTINA, L. V. D. Doe Applied to Optimization of Aluminum Alloy Die Casting. Journal of Materials Processing Technology , v. 200, p. 120-125, 2008
VERRAN, G. O. ; MENDES, R. P. K. . Aplicação de DOE na melhoria da qualidade de fundidos sob pressão. FS. Fundição & Serviços , v. 18, p. 64-74, 2008.
Processos Fundição Sob Pressão Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
VERRAN, G. O. ; MENDES, R. P. K. ; VALENTINA, L. V. D. Doe Applied to Optimization of Aluminum Alloy Die Casting. Journal of Materials Processing Technology , v. 200, p. 120-125, 2008
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Critérios para Avaliação da Qualidade das Peças Obt idas
Critério 1: Índice Visual de Porosidades
Pessoal do C.Q. da Empresa
Critério 2: Densidade da Região Crítica da Peça
Princípio de Arquimedes
Critério 3: Índice Quantitativo de Porosidades (% em área)
Software de Análise de Imagens - SCION
VERRAN, G. O.; MENDES, R. P. K. ; ROSSI, M. A. . Influence of Injection Parameters on Defects Formation in Die Casting Al12si1,3cu Alloy: Experimental Results and Numeric Simulation (Online publication DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2006.03.089). Journal of Materials Processing Technology , Ireland, v. 179, n. 2, p. 190-195, 2006. Die Casting.
Processos Fundição Sob Pressão Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Simulações
Pior Combinação de Parametros
Melhor Combinação de Parâmetros
Porosidades ⇓
Pressão do Ar Retido na Cavidade ao Final do Enchimento
Solda Fria ⇓
Velocidade na Segunda Fase da Injeção
VERRAN, G. O.; MENDES, R. P. K. ; ROSSI, M. A. . Influence of Injection Parameters on Defects Formation in Die Casting Al12si1,3cu Alloy: Experimental Results and Numeric Simulation (Online publication DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2006.03.089). Journal of Materials Processing Technology , Ireland, v. 179, n. 2, p. 190-195, 2006. Die Casting.
Processos Fundição Sob Pressão Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
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A simulação do tempo de enchimento mostrou o encontro
de duas frentes metálicas indicando o aprisionamento de
ar nesta região
VERRAN, G. O. ; MENDES, R. P. K. . Simulação Numérica e Doe Aplicados na Melhoria do Processo de Fundição Sob Pressão de Ligas de Alumínio. Estudos Tecnológicos (Online), Brasil, v. 2, n. 1, p. 13-25, 2006.
Processos Fundição Sob Pressão Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
VERRAN, G. O.; MENDES, R. P. K. ; ROSSI, M. A. . Influence of Injection Parameters on Defects Formation in Die Casting Al12si1,3cu Alloy: Experimental Results and Numeric Simulation (Online publication DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2006.03.089). Journal of Materials Processing Technology , Ireland, v. 179, n. 2, p. 190-195, 2006. Die Casting.
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Velocidade da 2º fase = 1,3 m/sSOLDA FRIA
VERRAN, G. O.; MENDES, R. P. K. ; ROSSI, M. A. . Influence of Injection Parameters on Defects Formation in Die Casting Al12si1,3cu Alloy: Experimental Results and Numeric Simulation (Online publication DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2006.03.089). Journal of Materials Processing Technology , Ireland, v. 179, n. 2, p. 190-195, 2006. Die Casting.
VERRAN, G. O.; MENDES, R. P. K. ; ROSSI, M. A. . Influence of Injection Parameters on Defects Formation in Die Casting Al12si1,3cu Alloy: Experimental Results and Numeric Simulation (Online publication DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2006.03.089). Journal of Materials Processing Technology , Ireland, v. 179, n. 2, p. 190-195, 2006. Die Casting.
Velocidade da 2º fase = 2,6 m/sPreenchimento total e ausência de Solda Fria