INFLUÊNCIA DA VELOCIDADE DE ENCHIMENTO SOBRE A .Palavras chave: Fundição sob pressão, Simulação,

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  • CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CINCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, So Pedro - SP. Anais 42201

    INFLUNCIA DA VELOCIDADE DE ENCHIMENTO SOBRE A

    FORMAO DE DEFEITOS EM PEAS DE ALUMNIO:

    SIMULAO NUMRICA VS. RESULTADOS EXPERIMENTAIS

    Verran, G. O. (1); Rebello, M.A. (2); Oliveira, C. G.(1) Dr. Eng. DEM-CCT/UDESC; CTMa/IST-SOCIESC, Joinville/SC, Brasil

    dem2gov@joinville.udesc.br ; guilherme@sociesc.com.br

    (2) Msc. Eng. IST-SOCIESC, Joinville/SC, Brasil

    rebello@sociesc.com.br

    (3) Eng. Mec. Ind. de Fundio Tupy, Joinville/SC, Brasilcargomes@tupy.com.br

    Resumo A utilizao da simulao numrica como ferramenta de trabalho na engenharia de

    fundio est apresentando uma utilizao crescente e cada vez mais eficiente na otimizao de

    projetos e processos, entretanto at o presente existem poucos estudos relacionados com a avaliao

    da eficincia destes softwares em fundio sob presso, onde os eventos enchimento da cavidade e

    solidificao da pea ocorrem sob condies totalmente diferentes daquelas encontradas nos processos

    por gravidade. Neste trabalho foi realizado um estudo comparativo entre os resultados da simulao

    do enchimento de uma pea fundida sob presso usando a liga Al9Si3Cu, com as peas obtidas

    experimentalmente usando as mesmas condies de processamento. Foram obtidos diferentes lotes de

    peas usando velocidades distintas, com o objetivo de provocar a ocorrncia de defeitos tipo solda fria

    e porosidades. A comparao entre os resultados obtidos nas simulaes e as peas fundidas mostrou

    resultados que confirmam a capacidade do software de indicar a possvel ocorrncia de defeitos em

    funo dos parmetros de processo utilizados.

    Palavras chave: Fundio sob presso, Simulao, Enchimento, Defeitos, Solda Fria.

    Abstract - Despite the increasing use of numerical simulation of general casting problems, and its

    well known efficiency, at the present it still exist relatively few studies on the efficiency of numerical

    methods to simulate pressure casting. In such processes, the events associated with the filling front and

    solidification take place under markedly different conditions from those found in gravity casting. This

    work presents a comparison between experimental and numerical results of pressure casting of

    Al6Si3Cu under the same conditions. Simulation was performed for several filling velocities in order

    to create conditions of defects to occur, such as cold shut and pin holes. The results show that, for the

    pressure casting conditions used, the software was able to predict correctly the occurrence of defects.

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    Key-words: Pressure Die Casting, Simulation, Filling, Defects, Cold Shuts.

    1. Introduo

    Na simulao da fundio sob presso tem-se uma prvia do comportamento do metal

    fundido desde o preenchimento at a sua completa solidificao e extrao, incluindo

    condies de ciclo, tais como tempo de abertura e fechamento do molde, tempo para extrao

    e limpeza, nmero de ciclos e etc. Mas para que esta simulao corresponda ao que se passa

    em condies reais, o software de CAE deve estar apoiado em equaes e leis que regem

    todos os fenmenos envolvidos no processo, e desta forma as equaes so resolvidas de

    acordo com as condies de contorno que o operador impe, tais como a geometria da pea e

    os parmetros de fundio. Pode-se afirmar ento que tanto melhor ser o software de

    simulao quanto mais a soluo numrica, fornecida na simulao, se aproximar da soluo

    analtica das equaes fundamentais [1]. Esta diferena se d devido a complexidade das

    equaes fundamentais, fazendo-se necessrio algumas aproximaes e simplificaes, que

    dependendo da situao podem comprometer os resultados da simulao em questo.

    Na fundio sob presso a concepo da cmara de injeo e o mecanismo de

    alimentao da mesma, fazem com que quando ocorre o disparo boa quantidade de ar seja

    forada para dentro da cavidade, o que alm de tornar a regime mais turbulento, contribui

    para o aparecimento de porosidades. Alguns trabalhos tm sugerido a mudana desta

    concepo, propondo formas alternativas para a alimentao da cmara de injeo de forma

    no turbulenta [1]. A alta complexidade da cavidade favorece o regime turbulento de

    preenchimento do molde, que pode ser amenizada com o posicionamento adequado dos

    canais de ataque, alm de um perfil apropriado da zona de ataque, conforme estudo anterior

    [2]. A velocidade de injeo atua diretamente na forma de escoamento dentro da cavidade e

    indiretamente promove, de forma branda, a reduo da viscosidade da liga, pois quando o

    metal transferido da cmara de injeo para a cavidade forado a passar pelo ataque, e

    nesse ponto o fluxo metlico acelerado violentamente, promovendo o aquecimento do metal

    lquido em funo do forte cisalhamento. Birch [3] demonstrou que a velocidade no ataque

    no interfere no volume de porosidade, mas sim no tamanho e distribuio dos poros. Ou seja,

    o aumento da velocidade no ataque reduz o tamanho do poro e provoca sua disperso dentro

    da pea. O tempo de injeo juntamente com a velocidade de ataque, servem como ponto de

    partida para o clculo de outros parmetros, uma vez que interfere diretamente na

    temperatura da frente de enchimento, pois maiores tempos implicam em maior extrao de

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    calor do metal lquido e conseqente reduo de sua temperatura levando a incidncia de

    solda fria [4,5]. Neste trabalho proposto um estudo sobre a influncia da velocidade de

    injeo sobre a incidncia de defeitos tipo solda e porosidade, usando como ferramentas a

    observao experimental e a simulao via um software de CAE.

    2. MetodologiaNo desenvolvimento experimental foi utilizada uma pea com caractersticas

    adequadas ao processo de fundio sob presso, injetada usando uma mquina com recursos

    para controle de parmetros de processo, de forma a alimentar o software e tentar simular

    as mesmas condies. A pea escolhida, em liga AlSi9Cu3, possui massa de 1,05 kg e

    dimenses conforme a Figura 1.

    As amostras foram fundidas em injetora de cmara fria com fora de fechamento de 850

    toneladas fora, a temperatura do metal lquido no forno de espera se encontrava a 670C e a

    alimentao da cmara de injeo foi feita por brao mecnico. Foram injetadas algumas

    peas, para aquecimento do molde, e a cada ciclo, a temperatura na superfcie da cavidade foi

    aferida atravs de um pirmetro a laser, segundos antes do fechamento do molde, at atingir a

    temperatura de regime de trabalho em 255C, na superfcie da cavidade. As amostras foram

    produzidas em 4 lotes de 5 peas, sendo cada lote, com variaes na velocidade de injeo,

    tendo sido utilizadas velocidades de 1,05 1,75 2,45 e 3,15 m/s. A pea mais

    representativa de cada lote de cinco peas foi fotografada e tambm submetida ao exame de

    raio X de modo a evidenciar, respectivamente, os defeitos de solda fria e porosidade. Para

    anlise dos resultados foram realizados mapeamentos das regies com incidncia de defeitos

    tipo solda fria. Para a simulao os dados de processo foram alimentados no mdulo HPDC

    (high pressure die casting) do Magmasoft, onde foi construda uma malha com 3156736

    elementos usando um tempo de processamento numrico de 36092 s para cada simulao.

    29 327

    169

    Figura 1: Pea usada no estudo.

    mmEspessura de paredes e nervuras: 3,0 mm

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    Para dar mais fidelidade s condies de processo, 8 pontos do molde foram estrategicamente

    escolhidos para o controle da temperatura. Assim, para colocar o molde em temperatura de

    regime de trabalho, foram necessrios 5 ciclos usando cada condio de velocidade.

    3. Resultados e Discusso

    Os resultados da simulao so apresentados na forma de evoluo do enchimento

    para as velocidades de 1,05 e 3,15m/s, na figura 2.

    Enchimento: 52 %

    Enchimento: 64 %

    Enchimento: 70 %(a) Vinjeo = 1,05 m/s (a) Vinjeo = 3,15 m/s

    Figura 2: Evoluo do enchimento da cavidade para diferentes velocidades de injeo,

    evidenciando as diferentes temperaturas na frente de enchimento.

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    A anlise destas seqncias de enchimento mostra que para o uso de uma menor

    velocidade de injeo ocorreu um resfriamento acentuado na frente de avano do metal, sendo

    que para 52% de enchimento j se observa a ocorrncia de temperaturas inferiores

    temperatura lquidus da liga em estudo, no caso a liga Al9Si3Cu que apresenta Tliquidus de

    aproximadamente 6000C, indicando uma maior possibilidade de ocorrncia do defeito tipo

    solda fria em comparao com o comportamento apresentado para o uso de maior

    velocidade de injeo. A figura 3 apresenta graficamente a distribuio de temperaturas nas

    frentes de enchimento para as velocidades de injeo de 1,05 e 3,15 m/s, onde so

    representadas as temperaturas mnima e mxima observadas na frente a cada estgio do

    enchimento.

    Figura 3: Variao na temperatura da frente de enchimento para diferentes velocidades deinjeo.

    O grfico de Fig. 3 confirma a ocorrncia de temperaturas inferiores temperatura

    liquidus da liga em estudo para a velocidade de injeco igual a 1,05m/s a partir de 52% de

    enchimento, e mostra que a partir de 64% do en