1. Introdução
Fundição sob pressão é um processo de fabricação conhecido por sua capacidade de produzir produtos complexos, peças metálicas de alta precisão em escala.
Entre os muitos elementos de design em componentes fundidos, furos são características cruciais que servem a vários propósitos mecânicos e estruturais.
No entanto, projetar furos para fundição sob pressão requer uma consideração cuidadosa para evitar desafios de fabricação, como deformação, encolhimento, ou desgaste excessivo das ferramentas.
Este guia investiga as melhores práticas para projetar furos em peças fundidas sob pressão.
Seguindo estes princípios, os designers podem criar componentes robustos e econômicos, minimizando problemas de produção.
2. O papel dos furos na fundição sob pressão
Os furos são um recurso integral do projeto em muitas peças fundidas, servindo a vários propósitos funcionais e estruturais.
Fixação e Montagem
- Furos são frequentemente usados para acomodar parafusos, parafusos, e rebites, habilitando conexões seguras em montagens.
- Exemplo: Componentes automotivos, como carcaças de motores, geralmente apresentam furos passantes para fins de montagem ou fixação.
Redução de peso
- Furos estrategicamente posicionados reduzem o peso total de uma peça fundida sem comprometer sua resistência.
- Isto é particularmente crítico em indústrias como aeroespacial e automotiva, onde a redução de peso contribui para melhorar o desempenho e a eficiência.
Roteamento e Passagens
- Buracos podem servir como canais para fluidos, fios, ou fluxo de ar em sistemas complexos.
- Exemplo: As aletas de resfriamento fundidas em eletrônicos geralmente possuem orifícios de ventilação para melhorar o gerenciamento térmico.
Alinhamento e Posicionamento
- Furos de precisão garantem alinhamento preciso durante a montagem, contribuindo para a funcionalidade geral do produto final.
3. Tipos de furos em fundição sob pressão
Através de buracos
Através dos furos penetram totalmente na peça, servindo como caminhos essenciais para fixadores ou componentes de união.
Esses furos simplificam os processos de usinagem e garantem conexões confiáveis.
Por exemplo, através de furos podem acomodar parafusos ou parafusos, fornecendo anexos fortes e seguros.
Buracos Cegos
Buracos cegos, que não percorrem toda a parte, oferecem utilidade versátil.
Eles são frequentemente usados para inserções ou fixação parcial, permitindo que as estruturas internas sejam mantidas enquanto ainda fornece pontos de fixação.
Uma aplicação comum inclui inserções roscadas para fixação de componentes eletrônicos.
Furos roscados
Os furos roscados apresentam roscas internas projetadas especificamente para fixadores.
A precisão na formação dessas roscas é crítica para garantir o encaixe preciso da rosca e conexões seguras.
Em indústrias como aeroespacial, onde a confiabilidade é fundamental, a precisão dos furos roscados pode impactar diretamente a segurança e o desempenho.
Furos rebaixados
Furos rebaixados, com suas seções transversais não uniformes, representam um desafio único.
Técnicas avançadas de fundição sob pressão, como núcleos deslizantes ou núcleos solúveis, tornar possível alcançar essas formas.
Apesar da complexidade, furos rebaixados são usados em aplicações especializadas, oferecendo soluções onde os formatos de furo padrão ficam aquém.
4. Diretrizes de projeto para furos em fundição sob pressão
O projeto adequado do furo é crucial para garantir a capacidade de fabricação, integridade estrutural, e economia de peças fundidas sob pressão.
Abaixo estão as diretrizes detalhadas que os designers devem seguir:
Manter a espessura mínima da parede
Para garantir a resistência da peça e evitar defeitos como rachaduras ou empenamentos, mantenha espessura de parede suficiente ao redor dos furos.
- A espessura da parede ao redor do furo deve ser de pelo menos 1.5 vezes o diâmetro do furo (D) ou o espessura da peça (T), o que for maior.
- Por exemplo, se o diâmetro do furo for 4 milímetros, a espessura da parede circundante deve ser de pelo menos 6 milímetros.
Espessura de parede inadequada pode comprometer a integridade estrutural da peça, especialmente sob estresse ou cargas térmicas.
Respeite o diâmetro do furo e os limites de profundidade
A fundição sob pressão tem limitações inerentes ao tamanho e profundidade dos furos devido às propriedades do material e às restrições do projeto do molde..
- Ligas de alumínio:
- Diâmetro mínimo do furo: ~2,5mm
- Profundidade máxima do furo: ~5 × diâmetro
- Ligas de Zinco:
- Diâmetro mínimo do furo: ~1,5mm
- Profundidade máxima do furo: ~6 × diâmetro
- Ligas de magnésio:
- Diâmetro mínimo do furo: ~3,0 mm
- Profundidade máxima do furo: ~4 × diâmetro
Para furos que excedam essas dimensões, considerar:
- Usinagem secundária: Perfure ou escareie a pós-fundição para obter dimensões precisas.
- Projeto de furo escalonado: Use um design de furo multidiâmetro para reduzir a profundidade sem sacrificar a funcionalidade.
Garanta espaçamento e posicionamento adequados
Espaçamento entre furos, slots, bordas, e outras características devem ser suficientes para manter a resistência do molde e evitar defeitos:
- Entre buracos: A distância deve ser ≥ 1.5 ×T ou 1.5 ×D, o que for maior.
- Buraco até a borda: A distância deve seguir as mesmas orientações para evitar pontos fracos que possam causar falha no molde.
Por exemplo, se o diâmetro do furo for 4 mm e a espessura da peça é 3 milímetros, a distância entre dois furos deve ser de pelo menos 6 milímetros.
Incluir ângulos de inclinação para liberação do molde
Os ângulos de inclinação facilitam a remoção da peça fundida do molde, reduzindo o desgaste das ferramentas.
- Ângulo de inclinação típico: 1-3° para buracos.
- Um ângulo de inclinação maior é recomendado para furos mais profundos para garantir uma liberação suave.
Use os pinos principais com sabedoria
Os pinos centrais formam furos durante a fundição, mas estão sujeitos a tensões térmicas e mecânicas. Para maximizar sua eficiência:
- Opte por pinos mais curtos para maior estabilidade.
- Usar aço tratado termicamente ou ligas de alta resistência para que o material do pino central resista à deformação e ao desgaste.
- Projete pinos com filetes na base para reduzir as concentrações de tensão.
Evite marcas de afundamento
Marcas de afundamento ocorrem quando seções grossas esfriam de maneira desigual, criando defeitos superficiais. A colocação adequada do furo e a uniformidade da espessura da peça podem evitar isso:
- Evite colocar furos perto de seções pesadas ou grossas.
- Use nervuras ou outros recursos de design para promover um resfriamento uniforme.
Alinhe os furos para um desempenho ideal
Certifique-se de que os furos estejam alinhados com a linha de partição do molde para simplificar o trabalho com ferramentas e evitar desalinhamentos.
- Furos desalinhados aumentam o risco de deflexão do pino central, levando a dimensões imprecisas.
- Se o desalinhamento for inevitável, usinagem secundária pode ser necessária, aumentando o tempo e o custo de produção.
Considere furos rosqueados ou rebaixados
Furos roscados e rebaixados requerem considerações adicionais:
- Os furos roscados são normalmente pós-usinados devido à dificuldade de obter roscas precisas durante a fundição.
- Furos rebaixados exigem projetos avançados de matrizes e podem aumentar a complexidade e os custos das ferramentas.
Projeto para Operações Secundárias
Embora a fundição sob pressão possa produzir formas quase perfeitas, alguns furos podem exigir operações de acabamento para obter tolerâncias mais estreitas:
- Perfuração: Para furos que exigem alta precisão ou superfícies internas lisas.
- Alargamento: Para maior precisão dimensional e qualidade de superfície.
5. Considerações materiais
A escolha do material na fundição sob pressão influencia significativamente o projeto e o desempenho dos furos nas peças fundidas.
Diferentes materiais exibem propriedades térmicas variadas, taxas de encolhimento, e pontos fortes, tudo isso impacta o design e a funcionalidade do furo.
Vamos nos aprofundar em como os materiais de fundição sob pressão comuns, como o alumínio,, zinco, e magnésio afetam o design do furo.
Ligas de alumínio
As ligas de alumínio são amplamente utilizadas na fundição sob pressão devido à sua excelente relação resistência-peso., resistência à corrosão, e boas propriedades mecânicas.
Quando se trata de design de furo:
- Taxa de encolhimento: O alumínio tem uma taxa de encolhimento relativamente baixa em comparação com outros materiais, permitindo diâmetros de furo menores sem comprometer a integridade estrutural.
A taxa típica de encolhimento do alumínio é de cerca de 0.5% para 0.7%, o que significa que os projetistas podem planejar tolerâncias um pouco mais restritas. - Condutividade Térmica: Com alta condutividade térmica, o alumínio esfria rapidamente, reduzindo o risco de marcas de afundamento.
No entanto, este resfriamento rápido também significa que seções espessas perto de buracos podem esfriar de forma desigual, levando a possíveis problemas como empenamento ou rachaduras.
Garantir uma espessura uniforme da parede ao redor dos furos ajuda a mitigar esses riscos. - Força e durabilidade: A resistência inerente do alumínio o torna adequado para aplicações que exigem furos roscados robustos ou furos passantes para fixação.
Por exemplo, um 6061 liga de alumínio pode suportar tensões de tração significativas, tornando-o ideal para componentes de suporte de carga com furos críticos.
Ligas de Zinco
As ligas de zinco são preferidas por sua fundibilidade superior e reprodução de detalhes finos, tornando-os adequados para designs complexos com pequenos orifícios:
- Taxa de encolhimento: O zinco apresenta uma taxa de contração mais alta que o alumínio, normalmente ao redor 0.8% para 1.2%.
Isso significa que os projetistas precisam levar em conta tolerâncias maiores ao especificar as dimensões do furo para garantir tamanhos finais precisos após a fundição. - Propriedades Térmicas: O zinco tem menor condutividade térmica em comparação ao alumínio, levando a tempos de resfriamento mais lentos.
Embora isso possa ajudar a reduzir as marcas de afundamento, também é necessária uma consideração cuidadosa dos canais de resfriamento no projeto da matriz para evitar pontos quentes ao redor dos furos. - Facilidade de usinagem: A natureza mais macia do zinco facilita a usinagem de roscas e outros recursos pós-fundição.
Esta característica é benéfica para criar furos roscados precisos ou cortes inferiores que podem ser desafiadores com materiais mais duros.
Ligas de magnésio
O magnésio oferece a densidade mais baixa entre os materiais de fundição sob pressão comumente usados, tornando-o uma escolha atraente para aplicações leves:
- Taxa de encolhimento: O magnésio tem uma taxa de encolhimento moderada, aproximadamente 0.4% para 0.6%, que é ligeiramente inferior ao zinco, mas comparável ao alumínio.
Os projetistas devem equilibrar esse encolhimento com a necessidade de estruturas de furos fortes, especialmente em aplicações sensíveis ao peso. - Expansão Térmica: O magnésio tem um coeficiente de expansão térmica mais alto em comparação com o alumínio e o zinco.
Esta propriedade pode levar a alterações dimensionais durante os ciclos de aquecimento e resfriamento, afetando o alinhamento e ajuste do furo.
Considerações de design adequadas, como incorporar juntas flexíveis ou usar inserções, pode ajudar a acomodar essas variações. - Força e resistência à fadiga: Apesar de ser leve, o magnésio fornece boa resistência e resistência à fadiga, tornando-o adequado para aplicações dinâmicas onde os furos suportam cargas repetitivas.
Reforçar áreas ao redor de furos com paredes ou nervuras mais espessas pode aumentar a durabilidade.
6. Desafios associados a furos em fundição sob pressão
Projetar furos em peças fundidas traz um conjunto único de desafios que, se não for abordado, pode comprometer a integridade estrutural, funcionalidade, e capacidade de fabricação do componente.
Abaixo está uma exploração aprofundada desses desafios:
Encolhimento e Variabilidade Dimensional
Durante a fase de resfriamento do processo de fundição sob pressão, metal fundido encolhe à medida que solidifica. Este encolhimento pode resultar em:
- Dimensões inconsistentes: Os tamanhos dos furos podem ficar menores do que o pretendido, levando a problemas de montagem.
- Resultados fora da tolerância: Peças de precisão com tolerâncias restritas geralmente exigem usinagem pós-fundição para corrigir esses desvios.
Visão de dados: Para ligas de alumínio, a retração linear pode variar de 0.6% para 1.0%. Essa variabilidade precisa ser levada em consideração no projeto para garantir dimensões precisas do furo.
Deformação e quebra do pino central
Os furos são formados usando pinos centrais no molde de fundição. No entanto:
- Pinos de núcleo fino e longo: Estes são vulneráveis à flexão, deformação, ou mesmo quebra devido às altas tensões térmicas e mecânicas exercidas durante a fundição.
- Impacto do metal fundido em alta temperatura: A pressão e o calor do metal fundido podem comprometer a estabilidade do pino central, afetando a consistência do furo.
Estratégia de Mitigação: Use projetos de furos escalonados para furos profundos ou utilize furos mais grossos, pinos de núcleo mais curtos para aumentar a durabilidade.
Formação de flash em torno de buracos
Flash refere-se ao excesso de material que vaza pelas lacunas do molde. Em torno de buracos, flash pode levar a:
- Necessidades extras de usinagem: A remoção do flash aumenta o tempo e os custos de produção.
- Apelo estético reduzido: Flash pode estragar o acabamento da superfície, o que é crítico para peças visíveis ou de alto desempenho.
Medida Preventiva: Garanta a vedação precisa do molde e use forças de fixação adequadas para minimizar a formação de rebarbas.
Erros de desalinhamento e posicionamento
Os furos podem se deslocar ou ficar desalinhados durante o processo de fundição devido a:
- Desgaste e Rasgo do Molde: O uso frequente pode degradar os moldes, resultando em imprecisões posicionais.
- Colocação inadequada do pino central: Pinos desalinhados levam a furos descentralizados ou angulares.
Impacto: O desalinhamento pode atrapalhar a montagem, aumentar a necessidade de operações secundárias, e reduzir a funcionalidade da peça.
Defeitos superficiais em furos
Imperfeições superficiais, como porosidade, rugosidade, ou marcas de afundamento são desafios comuns:
- Porosidade: O gás preso durante a fundição pode criar vazios dentro dos furos, enfraquecendo sua integridade estrutural.
- Superfícies internas ásperas: O projeto inadequado do molde ou a lubrificação inadequada podem resultar em paredes ásperas do furo, afetando seu desempenho em aplicações de precisão.
- Marcas de pia: A colocação inadequada do furo em relação à espessura da parede pode causar reentrâncias na superfície.
Concentração excessiva de calor
Furos podem atuar como concentradores de tensão durante o processo de fundição. Os gradientes térmicos próximos aos buracos podem causar:
- Rachadura: O resfriamento rápido e a solidificação irregular podem induzir rachaduras perto dos furos.
- Enfraquecimento de materiais: A exposição prolongada a altas temperaturas em áreas concentradas ao redor do furo pode comprometer as propriedades do material.
Dica: Use simulações de computador para prever a distribuição de calor e refinar projetos de moldes para mitigar esses riscos.
Implicações de custo e tempo
Os desafios dos furos na fundição sob pressão muitas vezes se traduzem em aumento dos custos de produção:
- Usinagem Adicional: A correção de defeitos ou a obtenção de tolerâncias precisas requerem processos secundários, como furação ou alargamento.
- Manutenção de Moldes: Reparos ou substituições frequentes de pinos e moldes podem aumentar as despesas de manutenção.
Estatística: A usinagem secundária pode aumentar os custos das peças em 20% a 30%, enfatizando a importância do projeto preciso do furo nos estágios iniciais.
7. Melhores práticas para projeto de furos de fundição sob pressão
Dimensões e tolerâncias padronizadas
A adoção de dimensões e tolerâncias padronizadas simplifica o processo de projeto e garante compatibilidade com equipamentos de fabricação existentes.
Seguir os padrões da indústria, como os estabelecidos pela ASME ou ISO, pode agilizar a produção e reduzir erros.
A adesão consistente a esses padrões facilita uma integração mais suave da cadeia de suprimentos e minimiza o risco de erros dispendiosos.
Simulação e Prototipagem
Aproveitar o software de simulação e a prototipagem permite que os projetistas testem a viabilidade do projeto do furo e identifiquem possíveis problemas antecipadamente.
Ferramentas de simulação podem modelar como diferentes configurações de furos se comportarão sob condições do mundo real, ajudando a otimizar projetos antes de se comprometer com a produção em grande escala.
A prototipagem fornece evidências tangíveis do desempenho de um projeto, oferecendo insights valiosos para refinamento.
Colaboração com fabricantes
Trabalhar em estreita colaboração com fabricantes de fundição sob pressão traz conhecimentos inestimáveis para a mesa.
A sua experiência pode destacar considerações práticas de design e sugerir melhorias que podem não ser imediatamente aparentes.
Esforços colaborativos levam a decisões mais bem informadas, resultando em produtos de maior qualidade que atendem aos requisitos de desempenho e capacidade de fabricação.
8. Conclusão
Projetar furos em peças fundidas é uma tarefa complexa, porém crítica, que exige atenção aos detalhes.
Seguindo as diretrizes para diâmetro, profundidade, espaçamento, e seleção de materiais, os designers podem produzir peças de alta qualidade enquanto minimizam custos e desafios de fabricação.
A integração desses princípios no início da fase de projeto garante durabilidade, componentes econômicos, abrindo caminho para uma produção eficiente e clientes satisfeitos.
Se você tiver alguma necessidade em relação a produtos de fundição sob pressão, por favor sinta-se à vontade para Contate-nos.
