Estudos de Casos em Aço

A vida útil das ferramentas é um dos principais fatores de custo na fundição sob alta pressão. A fundição italiana Mazzucconi utilizou as capacidades de Design Virtual de Experimentos do  MAGMASOFT^® para aumentar substancialmente a vida útil da ferramenta para uma carcaça de direção.

Infelizmente, o molde de uma peça fundida que havia sido produzida durante muito tempo ficou aquém da vida útil esperada. Alterações de geometria do produto não foram uma opção devido a uma restrição de graus de liberdade. Portanto, o objetivo do projeto era identificar os principais fatores que influenciam a vida útil da ferramenta e ajustar o processo de fundição buscando maximizá-la. Um dos principais fatores que influenciam a vida da ferramenta são as tensões termomecânicas na superfície da ferramenta e a erosão do molde associada. Estas tensões são causadas por alterações de temperatura durante o ciclo de fundição. A Mazzucconi decidiu investigar os seguintes parâmetros:

- Diâmetros dos canais de controle de temperatura
- Temperatura do meio de controle de temperatura
- Temperatura de fundição
- Processo de pulverização

Para cada um dos cinco parâmetros, foi feita uma configuração sistemática separada usando o Design de Experimentos embutido no software. A fundição utilizou MAGMASOFT^® e MAGMAdielife para estimar a vida útil do molde para seu processo. Para minimizar o esforço de simulação, foi utilizada uma geometria substituta que tinha características similares à peça original, veja a Figura 1. 

Primeiro, o status quo do processo existente foi simulado e depois comparado com os danos reais no molde. A Figura 2 mostra as rachaduras da ferramenta já visíveis no fundido e o resultado da estimativa da vida útil.

Para o DoE utilizado para analisar a distância entre os canais de refrigeração e a superfície da matriz, além da situação inicial, foram definidas três variações com as distâncias 3d, 5d e 7d. Além disso, foi simulada uma variante com refrigerações desativadas.

Os resultados revelam que a vida útil da ferramenta diminui com o aumento da distância entre as refrigerações e a superfície da matriz, veja a Figura 3.

Para as variantes investigadas, a Figura 4 mostra o histórico de temperatura em um ponto da superfície da matriz. Com o aumento da distância entre a refrigeração e a superfície da matriz, a temperatura da superfície aumenta no início do processo de aplicação de desmoldante. Devido à maior temperatura da matriz, o processo de aplicação de desmoldante gera um maior gradiente de temperatura, o que resulta em maiores tensões trativas residuais na superfície da matriz.

Entretanto, a tensão compressiva no início da solidificação praticamente não muda. Em contraste, a amplitude de tensão entre as tensões de tração (durante a aplicação de desmoldante) e as tensões de compressão (durante o enchimento/solidificação) aumenta com o aumento da distância entre a refrigeração e a superfície da matriz. Isto resulta em um aumento da carga e em uma diminuição da vida útil da ferramenta.

Para as outras variáveis de processo, também foram realizados os correspondentes Designs de Experimentos virtuais. Estes levaram aos seguintes insights fundamentais:

Na área analisada, o diâmetro dos canais de refrigeração não tem influência sobre a vida útil da ferramenta. Explicação: A temperatura média do molde não muda, resultando em tensões máximas tanto durante a aplicação de desmoldante quanto durante o enchimento/solidificação também não mudando.

A temperatura do meio de resfriamento tem uma influência considerável sobre a vida útil da ferramenta. Este efeito pode ser explicado pelo fato de que o molde é em média mais frio com meios de resfriamento mais frios. Isto, por sua vez, leva a um choque térmico reduzido durante a aplicação de desmoldante e, portanto, a uma menor tensão de tração. O aumento da temperatura da superfície da matriz durante o enchimento/solidificação, entretanto, permanece aproximadamente o mesmo, o que significa que o nível de tensões compressivas também é quase idêntico. Em geral, a faixa de tensões diminui com a menor temperatura do meio de refrigeração (ver Figura 5).

A redução da temperatura de vazamento minimiza tanto as tensões de tração durante a aplicação de desmoldante quanto as tensões compressivas durante o enchimento/solidificação, aumentando assim a vida útil da ferramenta. Isto pode ser explicado da seguinte forma: A redução da temperatura de vazamento leva a uma redução da temperatura média do molde. Isto resulta em um choque térmico menor durante a aplicação de desmoldante. Da mesma forma, o gradiente de temperatura durante o enchimento/solidificação também é reduzido devido ao metal mais frio.

A variação da aplicação de desmoldante, por sua vez, mostrou que a aplicação de desmoldante intermitente de quantidades menores causa tensões de tração menores na superfície da matriz do que um único e intenso curso de aplicação de desmoldante.

As diferentes investigações mostram que o layout do processo de aplicação de desmoldante tem a maior influência sobre a vida útil do molde. O objetivo, portanto, deve ser manter o choque térmico durante a aplicação de desmoldante tão pequeno quanto possível. Com base nisso, novos parâmetros de processo foram definidos para essa série de peças:

Sempre que possível, os canais de refrigeração são colocados mais próximos da superfície para assim minimizar a temperatura da superfície antes de pulverizar.

- A temperatura do meio de refrigeração é reduzida.
- A temperatura de vazamento é reduzida o máximo possível.
- O processo de aplicação de desmoldante é alterado para um modo intermitente (com vários cursos de pulverização menores).
- Ao mesmo tempo, o processo foi mudado para um desmoldante sem água.

Na simulação com o MAGMASOFT^®, a verificação das novas condições do processo revelou uma vida útil consideravelmente maior da ferramenta (ver Figura 6). Isto foi confirmado na produção em série com novas ferramentas.

A Fonderie Mario Mazzucconi S.p.A. produz componentes em liga de alumínio, fundidos por gravidade, sob baixa pressão ou alta pressão, bem como componentes totalmente usinados e montados. Há mais de um século, a Mazzucconi atua na área de fundição e usinagem de metais. A Mazzucconi está localizada em Ponte San Pietro (Bergamo) e tem sete instalações de produção localizadas na Itália, além de um escritório local em Munique, Alemanha.