6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO
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6 BRAZILIAN CONFERENCE ON MANUFACTURING ENGINEERING
11 a 15 de abril de 2011 – Caxias do Sul – RS - Brasil
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April 11 to 15 , 2011 – Caxias do Sul – RS – Brazil
METODOLOGIA BASEADA NA TÉCNICA DE PROJETO VOLTADO
PARA MODELAGEM DE PEÇAS FUNDIDAS EM AREIA
Silva, Alex Sander Chaves; e-mail1: [email protected]
Braga, Durval Uchoas; e-mail1: [email protected]
Neves, Frederico Ozanan; e-mail1: [email protected]
Gonçalves Filho; E. V.; e-mail2 : [email protected]
1
Universidade Federal de São João Del Rei – UFSJ – Departamento de Engenharia Mecânica, Praça Frei Orlando, 170
– São João Del Rei – MG – Brasil
2
Universidade de São Paulo - EESC-USP - Departamento de Engenharia Mecânica – São Carlos- SP – Brasil
Resumo Desenvolveu-se uma metodologia de projeto voltado para a obtenção de fundidos, em que a confecção do
modelo é obtida levando-se em consideração os vários aspectos relativos contração, ângulo de saída dentre outras.
Este procedimento teve como objetivo complementar as informações técnicas do projetista no processo de
desenvolvimento do projeto de fundidos, permitindo, evitar dificuldades no processo de modelagem que acaretaria
custos de manufatura. Após análise e interpretação destas informações sistematizou-se as orientações na forma de
uma metodologia de projeto voltado para a modelagem de peças fundidas em areia, visando a redução de tempo e
custo de projeto. Esta metodologia gerou uma base de conhecimentos sobre o projeto de um fundido no aspecto
confecção do modelo. Este conhecimento pode ser implementado em sistemas atuais que empregam inovações na área
de engenharia auxilidada por computador. Como resultado, uma base de conhecimento foi implementada
organizando diferentes diretrizes a serem seguidas durante a fase de projeto de modelos no processo de fundição em
areia, propiciando maior segurança e confiabilidade no projeto de peças fundidas.
Palavras-chave: Fundição em Areia, Modelagem e Projeto Voltado para Manufatura.
1. INTRODUÇÃO
As indústrias mundiais estão em crescente busca de novas tecnologias com objetivo reduzir custos em todas as
fases do processo de produção. Este avanço esta relacionado com o desenvolvimento de novos equipamentos e de
projetos. A chave para compreender as características marcantes das atuais indústrias que buscam produzir produtos
com alta qualidade e baixos custos esta em analisar o uso das diversas tecnologias e suas aplicações, assim como as
transformações que elas imprimem. Uma das formas de minimizar custos é através do desenvolvimento de produtos que
sejam inerentemente fáceis de fabricar e de montar. Para tal, empregam-se as ferramentas da Engenharia Simultânea
como DFM (Design For Manufacture), e o DFA (Design For Assembly). A prática da Engenharia Simultânea
possibilita a detecção precoce de problemas durante a evolução do projeto. Muitos pesquisadores têm contribuído para
uma melhor aplicação dos conhecimentos de processos de fabricação no desenvolvimento de produtos visando um
projeto otimizado através de regras, considerações gerais, guias de projeto, etc., de modo a tornar a vida do projetista
mais fácil. Para se evitar essa rotina, propõe-se utilizar o conhecimento do Projeto Voltado para a Manufatura – DFM.
O DFM tem por objetivo a integração entre processo e o projeto do produto, utilizando conhecimentos e regras para
otimizar o sistema de manufatura no sentido de aumentar a qualidade, diminuir os custos e proceder entrega de produtos
com rapidez. Para isso o DFM procura identificar os conceitos dos produtos que facilitam a manufatura e integrar o
processo de manufatura com o projeto do produto para satisfazer as necessidades requeridas (Boothroyd, 1994).
O processo de fundição consiste basicamente, em encher com metal líquido a cavidade de um molde que pode ser
destrutivo e feito em areia ou permanente e vazado de diferentes maneiras, cujas dimensões e formas correspondem às
das peças a serem obtidas.
Um projeto de fundição deve conter as informações dispostas em um desenho e este desenho deve apresentar os
dados de numero e posição dos seguintes itens: massalotes; resfriadores; respiros e canais de vazamento.
Segundo Moro (2007) para se fabricar uma peça fundida alguns passos do processo de fundição devem executados
são:
- Modelação: que consiste em construir um modelo com o formato da peça a ser fundida. Serve para construção do
molde, e suas dimensões devem prever a contração do metal quando ele se solidificar.
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Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas 2011
6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 11 a 15 de Abril de 20 11. Caxias do Sul - RS
Na confecção do modelo, o projetista deve considerar o sobremetal para usinagem e a contração do metal (Pereira,
1991). Os modelos de fundição podem ser projetados com várias características para adaptar à sua aplicação e
necessidade econômica.
Além das informações já apresentadas sobre formas e proporções de uma peça, o projetista necessita de outros tipos
informações importantes sobre o processo de fundição em areia, como por exemplo: projetar o modelo, escolher o
material do modelo, prever a retirada do modelo do molde, prever a contração da peça, etc. A seguir serão mostradas
estas informações.
Os modelos podem ser fabricados de madeira (cedro, peroba, pinho), plástico ou metal (latão, bronze, metal branco,
ferro fundido, liga de alumínio). Usualmente o material mais utilizado na fabricação de um modelo é o alumínio
(Marek, 1952; Chiaverini, 1977).
Segundo Kalpakjian (1989), o modelo de fundição para uma peça de formas simples e de baixa quantidade de
produção é geralmente feito de madeira, pois este é mais barato. Já para o caso de alta produção são indicados os
modelos feitos em alumínio.
A seleção do material do modelo deve ser feita primeiramente baseada nos seguintes fatores:
a) aplicação;
b) tamanho e peso;
c) acuracidade dimensional;
d) número de peças a ser fundida;
e) usinabilidade;
f) resistência mecânica;
g) possibilidade de reparos;
h) resistência: a corrosão e ao inchamento;
i) o processo de moldagem empregado (Kalpakjian, 1989; Marek, 1952).
Os modelos precisam ser facilmente removidos devido à fragilidade do molde de areia. É através do ângulo de
saída do modelo que se consegue facilitar a retirada do molde. Ângulo de saída é uma inclinação dada à superfície do
modelo paralela à direção de sua saída, para facilitar a retirada do modelo do molde.
Sabe-se que o modelo deve ser maior, de modo a prever a contração linear da peça na fundição. Através das
margens dimensionais recomendadas para o modelo, consegue-se prever a contração do metal ao se solidificar. O efeito
da contração ocorre em função da temperatura de vazamento, da espessura da peça, da forma e da composição do metal.
Recomendações são dadas em tabelas que tratam contração do material da peça em função da dimensão do modelo
(Heine, 1967).
Ao projetar o modelo, é preciso prever o sobremetal para a operação de usinagem de acabamento. As margens
dimensionais recomendadas nos modelo prevendo a usinagem de acabamento são mostradas em tabelas que mostram,
por exemplo, a dimensão do modelo x contração linear do metal (Heine, 1967).
As cores pintadas no modelo servem para facilitar o reconhecimento das várias partes de um modelo, estas são
pintadas de acordo com as convenções.
- Moldagem: é a confecção do molde no qual o metal fundido é colocado para que se obtenha a peça desejada. É
feito de material refratário e é moldado sobre o modelo que, depois de retirado, deixa uma cavidade com o formato da
peça.
- Confecção do macho: é um dispositivo, que tem a finalidade de formar os vazios, furos e reentrâncias da peça.
São colocados nos moldes antes que eles sejam fechados para receber o metal líquido.
- Fusão: é o aquecimento do metal para fundi-lo, deixando-o em estado líquido.
- Vazamento: é o enchimento do molde com metal líquido.
- Desmoldagem: é a retirada do molde e macho após a solidificação da peça, podendo ser manualmente ou por
processos mecânicos.
- Rebarbação e limpeza: é a retirada dos canais de alimentação, massalotes e rebarbas que se formam durante a
fundição, além da retirada das incrustações do molde na peça fundida, geralmente por meio de jatos abrasivos.
- Controle de qualidade: é a verificação da conformidade da peça (ausência de defeitos).
Durante o vazamento, o liquido preenche o molde estando em alta temperatura. Durante a solidificação o metal se
contrae e essa contração pode não ser uniforme. A restrição que o molde oferece pode influenciar o estado de tensões
residuais resultantes e trazer sérias conseqüências, como fissuras a quente (Rodrigues, 2007).
Uma das formas de minimizar falha no processo de manufatura é utilizar as recomendações de projeto que poderão
auxiliar o projetista a dar forma final ao produto a fim de facilitar sua fabricação. As recomendações de projetos
destinadas à manufatura do fundido incluem orientações detalhadas tais como: ângulo de saída do modelo; sobremetal,
machos, contração linear, facilidade de saídas de gases, marcações, areia dentre outras.
Para auxiliar o projetista a minimizar as falhas no processo de modelagem de peças fundidas, um método foi
desenvolvido.
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2. FUNDAMENTAÇÃO
No processo de desenvolvimento do produto o projetista necessita de conhecimentos em processos de fabricação,
em materiais e de como projetar visando uma fácil manufatura e montagem. Por isto vários pesquisadores têm
contribuído com regras, orientações de projeto, ferramentas computacionais com forma de auxiliar o projetista no
desenvolvimento do projeto do produto. Contudo este conhecimento encontra-se espalhado e de forma desorganizada
em muitas referências e em várias bibliotecas. Isto tem trazido problemas aos projetistas, porque uma possível demora
na obtenção das informações pode trazer prejuízos em função demora na colocação do produto no mercado.
Todo trabalho que contribua para facilitar o acesso à informação resultará em uma produtividade maior do
projetista do produto e certamente dará uma competitividade maior para empresa.
Para auxiliar o projetista na obtenção destas informações, de forma rápida e confiável, este trabalho propõe um
método de aquisição do conhecimento necessário para se ter um bom projeto de peças fundidas (Silva, 2002). Ele se
baseia no guia DFM, que são regras ou orientações sistemáticas de boa prática de projeto, e que foram obtidas ao longo
de anos de experiência em projeto e manufatura de peças fundidas.
3. PROCESSO DE MODELAGEM DE PEÇAS FUNDIDAS EM AREIA USANDO A TÉCNICA DFM
Este método baseia-se na organização do conhecimento sobre processo de modelagem de peças fundidas em areia.
Para organizar o conhecimento foi necessário: reunir dados sobre o processo de fundição em areia; analisar e interpretálos, colocando-os à disposição do projetista no desenvolvimento do processo de moldagem; agrupar o conhecimento
essencial ao projetista, através da técnica de DFM e sistematizar as orientações de projeto de modo a formar uma
metodologia voltada para modelagem de peças fundidas.
3.1 Métodos
No desenvolvimento deste trabalho alguns métodos foram utilizados:
3.1.1 Coleta do Conhecimento
Nesta fase coletaram-se as informações sobre o processo de modelagem (confecção do modelo) em areia. Para se
projetar um fundido, utiliza-se um modelo que é um elemento do processo de moldagem, ou seja, é através deste
modelo que se consegue imprimir na areia a geometria da peça que receberá o metal líquido. No entanto, deve-se prever
a contração linear do metal no processo de solidificação, ou seja, o modelo deverá ser maior que o produto acabado. Foi
necessário coletar as regras e orientações apresentadas em artigos, Handbook, revistas, etc..
3.1.2 Classificação das Orientações
As orientações foram classificadas e agrupadas dentro de quatro categorias, conforme pode ser visto na Fig. (1).
3.1.3 DFM na Modelagem de uma Peça Fundida
O DFM focou as orientações mais efetivas na modelagem de uma peça fundida em areia. São elas: Geometria do
Fundido (traçado visando a moldagem, retirada do molde, contração do metal, sobremetal de usinagem e marcação) e
Obtenção do Fundido (modelo, massalotes, canais, areia etc.).
3.1.4 Método para Aplicação do Conhecimento no Projeto de um Fundido
Determinar as regras imprescindíveis a uma fácil modelagem; identificar as possíveis regras pela classificação e
exibição, de forma a sistematizar o conhecimento; analisar o processo, examinando todos os fatores que podem facilitar
a modelagem.
4. RESULTADO
4.1 Método de Auxílio ao Projetista na Modelagem
A metodologia resultou num roteiro que descreve uma seqüência de recomendações de projeto como pode ser visto
na Fig. (1). Este método foi desenvolvido após verificar as necessidades básicas das informações do projetista no
processo de desenvolvimento do produto no caso especifico recomendações de projeto para peças fundidas.
Inicialmente as necessidades básicas foram classificadas ou separadas em dois itens denominados, respectivamente,
processo de fundição em areia e recomendações de projeto para a geometria da peça e para o fundido.
As recomendações de projeto para a geometria da peça estão ilustradas na Fig. (2), onde cada subdivisão contém
bases de conhecimento sobre os respectivos assuntos.
Observa-se na Fig. (2), que as recomendações de projeto para a geometria da peça estão subdivididas segundo as
informações referentes a: parede, features (características), facilidade de usinagem, traçado correto visando a
moldagem, tolerância e rugosidade e concordância da forma com o tipo de solicitação, onde estas orientações estão
contidas na base de conhecimento formada.
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Recomendações de Projeto
Geometria da Peça
Fundido
Parede
Operações Finais
na Obtenção da
Peça
Features
Solidificação
Facilidade
de Usinagem
Geometria
Traçado Correto
Visando
Confecção
Tolerância e Rugosidade
Concordância da Forma
com o Tipo de
Solicitação
Figura 1. Orientações de projeto na forma de guia de auxílio ao projetista.
A partir da sistematização das orientações como mostrada na Fig. (1), o projetista poderá buscar informações
técnica sobre como projetar uma peça fundida visando a geometria da peça ou sobre o fundido.
4.1.2 Exemplo de Aplicação
Um exemplo de aplicação seguindo a metodologia acima.
Quando o projetista precisa recomendações de projeto visando o traçado correto do modelo, ou seja, as orientações
que facilitam a manufatura do fundido, o emprego desta metodologia se faz necessário.
Usando a metodologia como o mostrado na Fig. (1). O primeiro passo é saber quais informações são necessárias
para a Geometria da Peça quando se pensa em projetar o modelo. Existem seis categorias na metodologia desenvolvida.
São elas:
Parede;
Features;
Facilidade de Usinagem;
Traçado Correto Visando a Moldagem (fabricação do modelo);
Tolerância e Rugosidade;
Concordância da Forma com o Tipo de Solicitação.
Como a resposta é: Traçado Correto Visando a Moldagem, ou seja, fabricação do molde como mostrado na Fig.
(2). Sabe-se que a fabricação do modelo faz parte do processo de moldagem. Na opção traçado correto visando a
moldagem a fabricação do modelo está subdividida em cinco categorias. São elas:
- Material do Modelo e Ângulo de Saída;
- Dimensão do Modelo e Contração Linear do Metal;
- Guia para Usinagem de Acabamento no Modelo;
- Convenção das Cores Pintadas no Modelo;
- Tipo de Modelo e Finalidade.
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Forma em L
Forma em T
Concordância entre paredes
Forma em V
Forma em Y
Parede
Concordância em Prolongamento
Forma em Cruz
Espessura
Traçado p/ Peças Produzidas
em Série
Feature (Características)
Traçado p/conexão em
Forma T
Furo
Rebaixo
Mínima
Inserto
Regularidade
Geometria
Nervura
da
Aplainamento
Torneamento
Peça
Facilidade de Usinagem
Redução das operações
Fresamento
Saída da Ferramenta
Evitar Vazios e Inclusões
Prevendo a Furação
Moldagem
Traçado Correto Visando
Usinagem
Tolerância e Rugosidade
Minimizar as Tensões
Internas e Deformação
Rugosidade Superficial
Concordância da Forma
com o Tipo de Solicitação
Acabamento da Peça
Tolerância Dimensional
Evitar Rechupes e Fendas
Figura 2. Recomendações de projeto para a geometria da peça
Como a resposta é Material do modelo e Ângulo de saída. Então o segundo passo é saber qual o Material do
modelo e o Ângulo de saída. O Material do modelo e o Ângulo de saída podem ser do tipo:
- Tipo de material do modelo;
- Nível de qualidade do modelo;
- Método de Socagem;
Como a resposta é qual o Tipo de material que um modelo pode ser fabricado. Então o terceiro passo é saber quais
os tipos de materiais utilizados na fabricação de um modelo. Os modelos podem ser fabricados em:
- Madeira;
- Alumínio;
- Ferrosos;
Como a resposta é que o material do modelo é alumínio. Então o quarto passo é saber qual o método de socagem. O
método de socagem podem ser do tipo:
- A Mão;
- Automático;
- Compressão;
Como a resposta é Compressão. Então o quinto passo é saber qual o nível de qualidade do modelo. O nível de
qualidade pode ser:
- Normal;
- Alto;
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Como a resposta é normal. Então o sexto passo é saber qual o ângulo recomendado. Neste caso o ângulo indicado é
3 . O valor de 3 é a informação disponibiliza para o projetista. Estas informações estarão disponibilizadas em bases de
conhecimentos em um programa computacional.
Quando o projetista necessitar de orientações de como projetar um modelo visando uma fácil manufatura basta usar
os conhecimentos desenvolvidos neste trabalho. Para as demais categorias (Dimensão do modelo e Contração linear do
metal; Guia para usinagem de acabamento no modelo; Convenção das cores pintadas no modelo; Tipo de modelo e
Finalidade) as informações estarão disponíveis em bases de conhecimentos utilizado-se da técnica do projeto voltado
para a manufatura.
O exemplo apresentado anteriormente auxiliará o projetista a identificar e obter as informações imprescindíveis a
um projeto com menor probabilidade de falhas no processo de manufatura, diminuindo, assim, o tempo gasto na
resolução do problema, bem como possíveis custos devido a tentativas na solução de defeitos. Para as demais
orientações segue-se a mesma metodologia citada acima.
5. CONCLUSÕES
Não aplicando os princípios do DFM no desenvolvimento do projeto do produto, defeitos podem ocorrer com mais
freqüência no processo de manufatura, acarretando custos de reprojeto e material. Logo a integração entre a técnica de
DFM na fase de desenvolvimento do projeto do produto, minimizará o aparecimento de defeitos no processo de
manufatura.
O método de sistematização das orientações de projeto de peças fundidas, desenvolvida nesta pesquisa, contribuirá
para o projeto de peças fundidas e facilitará a aplicação dos conceitos da tecnologia de fundição no processo de
modelagem.
As bases de conhecimento implantadas apresentam orientações sobre a geometria da peça (processo de fundição
em areia). Estas bases de conhecimento, implantadas na sistematização, visam melhorar o nível de informações
requerido pelo projetista durante o desenvolvimento do produto (moldagem, especificamente na modelagem). Como
conseqüência o projeto será mais eficiente, simples e mais fácil de se fabricar e montar.
A contribuição desta pesquisa se resume nos seguintes aspectos: as informações estarão sempre à disposição do
projetista; o conhecimento é aprimorado com o tempo e rapidez nas respostas quando solicitado. Esta metodologia pode
ser empregada em programas inteligentes, no auxílio ao projetista (CAD- Projeto Auxiliado por Computador/CAEEngenharia Auxiliada por Computador).
6. REFERÊNCIAS
Back, N.; 1983, “Metodologia de Projeto de Produtos Industriais”, ed. Guanabara Dois,.
Boothroyd, G.; 1994, “Product Design For Manufacturing and Assembly”, Marcel Dekker, inc. New York, Basel-Hong
Kong.
Bralla, J. G.; 1986, “Handbook of Product Design For Manufacturing - A Practical Guide for Low-Cost Prodution”,
New York: McGrw-Hill.
Brazier, D.; 1983, “Concurrent Engineering: Participating in Better Designs”, Mechanical Engineering.
Dieter, G.E; 1990, “Engineering Design”, New York: McGraw-Hill.
Ishii, K.; 1995, “Life-Cycle Enginering Design”, Transactions of the ASME, v.117, p.42-47, june.
Linderg, L.; 1993, “Note on Concurrent Engineering”. Annals of the CIRP, v.42, p. 159-162, january.
Moro, N., 2007, “Processos de Fabricação- Fundição”, Centro Federal de Educação Tecnológica de Santa Catarina
Gerência Educacional de Metal Mecânica, Curso Técnico de Mecânica Industrial, Florianópolis, SC, Brasil
Silva, A. S. C.; 2002, “Um Sistema de Auxílio ao Projetista de Peças Fundidas Através da Integração entre Técnicas
DMF e Projeto Auxiliado por Computador” São Carlos. Tese (Doutorado) – Escola de Engenharia de São Carlos,
Universidade de São Paulo.
7. DIREITOS AUTORAIS
Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no trabalho.
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DESIGN FOR CASTINGS PARTS MOULDING
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Braga, Durval Uchoas; e-mail1: [email protected]
Neves, Frederico Ozanan; e-mail1: [email protected]
Gonçalves Filho; E. V.; e-mail2 : [email protected]
1
Universidade Federal de São João Del Rei – UFSJ – Departamento de Engenharia Mecânica, Praça Frei Orlando, 170
– São João Del Rei – MG – Brasil
2
Universidade de São Paulo - EESC-USP - Departamento de Engenharia Mecânica – São Carlos- SP – Brasil
Abstract. A methodology of project was developed to desing for casting, where the confection of the mold taking in
consideration the some relative aspects the cores, patterns feed head, risers and the sand properties. This procedure
had as objective to complemente the tecnical informations of the designer in the process of development of the casting
design , allowing, amongst others, to identify to tecnical informations available in current literature and to select them
by dependence degree. After analysis and interpretation of these information, a methodology of design for sand casting
moulding was systemize, aiming at the reduction of time and cost of project. This methodology could be implemented
in current systems that use innovations in the area of artificial intelligence. As result, it could be organized different
guidings to be followed during the phase of project of destructive sand molds, allowing most security and reliable of
the finished product.
Keyword: Sand Casting, Moulding, Design for Manufacture .