Atualmente, na ZM3 são injetadas peças quer para encomendas, quer para produtos comercializados pelo próprio grupo. De uma maneira geral, as peças concebidas não necessitam de obedecer a especificações técnicas apertadas em termos de propriedades mecânicas, sendo no entanto, exigido um valor limite de porosidade, em algumas peças. Assim, numa etapa inicial do estudo do processo serão avaliadas as peças quanto à sua porosidade.
5.1. Medição de porosidade de peças fabricadas pela ZM3
O estudo do estado do processo atual recaiu sobre quatro peças recentemente fabricadas na máquina em estudo. O cálculo da porosidade foi realizado através do princípio de Arquimedes com recurso a uma balança hidrostática de resolução de 0,0001 g. No Anexo A encontra-se o procedimento utilizado para a medição de porosidade por este método.
Na Tabela 4 apresentam-se os resultados médios obtidos nas medições. Os cálculos efetuados foram realizados com base numa amostra de cinco unidades de cada peça aleatoriamente recolhidas. As medições de cada amostra e os parâmetros de ensaio podem ser consultados no Anexo C a esta dissertação.
Todas as peças analisadas apresentavam um único ponto de ataque exceto a porca yämmi que tinha dois pontos de ataque. No entanto, todas as peças foram apenas injetadas numa cavidade para uma só peça. De realçar também que nenhuma das moldações possuía sistemas de venting e/ou masselotes ou sistemas equivalentes. Foram utilizadas pressões de injeção de 6 bar no cilindro pneumático de acionamento do pistão da bomba, correspondentes a 8,87 MPa (88,7 bar) de pressão de metal, e uma temperatura do banho de fusão de 430 oC, em todas as injeções.
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Tabela 4 - Porosidade e densidade médias de peças produzidas pela ZM3.
Peça Esquema Código
de ensaio Massa média medida [g] Densidade média real [g/cm3] Volume médio calculado [cm3] Porosidade média [%] Lever Door Handle Inner BALDI 600705 11,6305 (0,0484)* 6,2752 (0,0671)* 1,8537 (0,0247)* 6,34 (1,00)* Lever Door Stop BALDS 600605 12,8791 (0,2150)* 6,4792 (0,1007)* 1,9865 (0,0184)* 3,30 (1,50)* Lever Door Handle Outer BALDO 601106 17,4986 (0,2704)* 6,1993 (0,1214)* 2,8243 (0,0877)* 7,47 (1,81)* Porca Yämmi BAPY 600913 26,9018 (0,1393)* 5,2710 (0,0286)* 5,1038 (0,0227)* 21,33 (0,43)*
*desvio padrão da amostra
Observando os resultados obtidos, é possível constatar que existe uma pequena tendência para o aumento da porosidade quanto maior é o volume e massa das peças. A exceção é o Lever Door Stop que apresenta a menor porosidade, mas também uma geometria mais simples.
Tendo em conta a situação ideal de obtenção de 0% de porosidade no processo, há que apontar que como principais causas destes valores poderão estar a não existência de sistemas de respiro e lavagem de fluxos, bem como o não controlo da temperatura da moldação e do fraco controlo da lubrificação pela máquina. O facto das pressões máximas disponibilizadas pelas bombas não atingirem o limite mínimo recomendado, também poderá explicar a porosidade observada. Há ainda a possibilidade de existir falta de capacidade da bomba de injeção no enchimento de peças com maior massa.
É de realçar a elevada porosidade obtida na porca Yämmi comparativamente às restantes peças. Esta peça, segundo a empresa, apresentou alguns problemas até se conseguir um enchimento completo, tendo sido aumentada a secção dos canais de alimentação repetidamente para se corrigir os mal cheios. De forma a averiguar melhor a possível origem da porosidade, foram realizadas observações ao microscópio de cortes na peça.
16, 30 12 ,0 0 24 ,3 5 16, 85
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As amostras foram seccionadas segundo a linha de corte representada na Figura 38, sendo que foi tida em conta a posição dos ataques na peça. Assim, o corte foi realizado de modo a obter- se a secção da zona mais afastada dos ataques à peça e também uma secção próxima destes, de modo a averiguar-se quais as zonas com mais problemas.
As secções obtidas foram de seguida polidas e observadas no microscópio ótico do laboratório de Materiolografia do departamento de Engenharia Mecânica da FEUP e recolhidas imagens. Por fim, com auxílio do programa Image J® foi retirado o valor da porosidade local das amostras.
Note-se que as imagens ao microscópio foram recolhidas com a menor ampliação permitida (5x) de modo a obter-se a maior área possível para a determinação da porosidade local. No entanto, esta ampliação não possiblita recolher a totalidade da secção, tendo sido definidas duas zonas na secção, de onde se recolheram as imagens nas cinco amostras consideradas. Essas zonas estão esquematizadas na Figura 39.
Figura 39 - Zonas observadas ao microscópio ótico dos cortes efetuados na porca Yämmi.
A porosidade local é um parâmetro interessante em termos de projeto de peça, na medida em que, assim, é possível conhecer-se a porosidade real existente nas zonas mais suscetíveis a problemas. Isto é importante, porque se as zonas críticas da peça apresentarem um valor de porosidade superior à média, estar-se-á perante uma situação ainda mais problemática, pois a resistência neste local é ainda mais baixa. No entanto, esta medida é bastante dependente da área considerada para a medição, pelo menos neste método de observação ao microscópio.
Zona longe do ataque
Zona perto do ataque
Figura 38 - Esquema da linha de corte e do posicionamento dos ataques utilizados na porca Yammi.
Ataques Linha de corte
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Primariamente, é possível retirar-se das imagens recolhidas (Figura 40) que a forma dos poros é, na sua globalidade, esferoidal, sem comunicação com o exterior da peça e de paredes lisas (ver Anexo E). Este formato indica que se está perante poros de origem em gases que ficaram retidos nas peças e não perante rechupes ou peça parcialmente oca (Wang, Turnley, e Savage 2011). Como as moldações destas peças não apresentavam nenhum tipo de sistema de respiros, a origem destes poros deverá ser, em grande parte, derivada da má expulsão de ar da cavidade da moldação.
Já no que se refere aos valores de porosidade local, obteve-se uma média de 28% na zona mais próxima dos ataques e 41% na zona mais afastada destes. Este efeito era o esperado já que o ar terá tendência a ser empurrado para as zonas de união de fluxos na peça. Assim, é esperado que nas zonas mais afastadas dos ataques se acumule mais ar. De realçar que estes valores são os dois superiores aos obtidos para a porosidade média, o que pode ser justificado pela medição ter sido feita numa zona maciça e afastada da superfície que aparenta apresentar menores percentagens de poros, como se pode ver na Figura 39.
5.2. Sistemas de gitagem das peças
Uma das questões levantadas pela empresa refere-se ao número de tentativas às quais normalmente têm de recorrer para conseguir injetar uma peça sem presença de mal cheios.
Tal como já enunciado anteriormente o tamanho dos ataques depende de três fatores: volume da peça, velocidade de enchimento e tempo de enchimento. Contudo, estes dois últimos parâmetros variam com as espessuras médias e mínimas da peça, com as temperaturas das moldações e do metal
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no banho de fusão, a pressão aplicada, entre outras. É, assim, difícil avaliar a qualidade do sistema de gitagem devido à pouca informação sobre os parâmetros reais na máquina (NADCA 2006).
Contudo, é possível retirar o valor do produto entre a velocidade de injeção e o tempo de injeção para cada uma das peças dividindo o volume desta pela área do ataque. Considerando que a velocidade é um parâmetro resultante sobretudo da pressão aplicada e que esta foi a mesma para todas as peças em análise, a área de ataque será sobretudo dependente do tempo de enchimento. A Tabela 5 apresenta os valores para o quociente entre o volume médio e a área de ataque para cada peça.
Tabela 5 - Área de ataque e quociente entre o volume médio e a área de ataque para peças produzidas na ZM3.
Peça
(Tabela 4)
Área ataque [mm2] (Volume médio) / (Área de
ataque) [mm]
Lever Door Handle Inner 6,62 280,2
Lever Door Stop 4,93 406,5
Lever Door Handle Outer 3,98 709,0
Porca Yämmi 7,22 706,4
Conforme é possível visualizar, as três primeiras peças apresentam valores para este quociente diferentes, o que não seria de esperar já que o tempo de enchimento depende em grande medida da espessura das peças e estas apresentam espessuras similares. É possível verificar ainda que a porca
Yämmi apresenta um quociente idêntico ao do lever door handle outer, mesmo apresentando
espessuras superiores. Isto significaria que, se o valor da velocidade no ataque for idêntica nos dois casos, que o tempo de enchimento previsto é idêntico nos dois casos, o que não seria expectável devido às grandes diferenças de espessuras entre as duas peças. Estes valores podem ser consequência da falta de uniformização na conceção dos sistemas de gitagem por parte da empresa.
É possível que os gitos do lever door handle inner e do Lever door stop possam estar um pouco sobredimensionados devido ao baixo quociente volume – área de ataque que apresenta comparado com o lever door handle outer que apresenta espessuras similares. Note-se que maiores gitos conduzem a maiores perdas de material para a sucata e consequentemente a menores rendimentos metalúrgicos. No entanto, há que referir que o lever door handle outer é um pouco mais poroso.
O gito da porca Yämmi é bastante maciço e apresenta uma grande área de ataque, mas como já referido, foi a solução encontrada pela empresa para corrigir os mal cheios.
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