Sistema de comportas na fundição

Um sistema de canais bem concebido é a alavanca mais eficaz que uma fundição tem para reduzir os defeitos de fundição, controlar a dinâmica de enchimento, reter escórias e garantir uma alimentação fiável durante a solidificação. Um sistema de canais adequado reduz a turbulência, evita inclusões, melhora o rendimento e suporta uma qualidade repetível em todos os processos de fundição em areia, fundição por cera perdida e molde permanente.

1. Porque é que o sistema de gating é importante

Um sistema de canais é a rede de condutas que fornece metal fundido da panela para a cavidade do molde, controlando simultaneamente a velocidade, os gradientes térmicos, a pressão e a separação da escória. Um sistema de canais eficaz cumpre vários objectivos simultâneos: fornecer o metal com rapidez suficiente para evitar arrefecimento e erros de execução, manter o fluxo laminar à entrada da cavidade, reter a escória e as impurezas longe das superfícies críticas e permitir a solidificação direcional com um mínimo de desperdício de metal em excesso. Estas funções em conjunto tornam o projeto de canais um determinante primário da qualidade e rendimento da fundição.

2. Componentes principais e papéis funcionais

Um sistema de passagem padrão é composto por vários elementos interligados. Cada elemento tem compensações funcionais que influenciam o tempo de enchimento, a turbulência e as pressões de garganta.

Componentes principais

• Bacia ou taça para verter: aceita o metal da concha e reduz os salpicos.

• Canal de entrada (downsprue): canal vertical que transporta o metal para o molde. O afunilamento reduz o vórtice e a aspiração.

• Poço ou base do jito: abranda e suaviza o fluxo junto à interface do canal.

• Corrediça - canal horizontal ou angular que distribui o metal pelos portões.

• Ingate (portão): o canal final para a cavidade, dimensionado e moldado para controlar a velocidade e a direção locais.

• Riser ou alimentador: fornece metal extra para compensar o encolhimento durante a solidificação e serve como um reservatório de pressão.

• Skim trap, spin trap ou poço de sedimentação - retém as escórias e as impurezas pesadas a montante das comportas.

• Vãos e vias de ventilação: permitem a saída de ar e gases durante o enchimento.

3. Objectivos e critérios de desempenho

Ao conceberem um sistema de gating, os engenheiros optimizam vários critérios concorrentes:

• Minimizar a turbulência na porta para evitar a entrada de gás e de películas de óxido.

• Assegurar o preenchimento completo da cavidade antes do início da solidificação significativa.

• Controlar o tempo de enchimento para equilibrar os gradientes térmicos e a erosão do molde.

• Localizar os tubos de elevação e as comportas para promover a solidificação direcional e alimentar os pontos quentes.

• Retêm as inclusões e evitam que a escória chegue à cavidade.

• Minimizar o desperdício de metal por corrediças e risers para melhorar o rendimento.

• Mantenha as pressões e velocidades suficientemente baixas para evitar a erosão do molde, mas suficientemente altas para um enchimento completo.

4. Tipos de sistemas de gating e aplicações adequadas

As configurações das comportas variam consoante o método de fundição e a geometria da peça. Duas grandes classes são os sistemas pressurizados e não pressurizados. Os tipos específicos de portão incluem portão superior, portão inferior, portão de linha de separação, portão cego e arranjos de portão múltiplo.

Por processo

• Fundição em areia - normalmente utiliza redes de canais de jato de areia com armadilhas de poço e risers.

• Fundição por cera perdida - utiliza uma árvore de canais com portas cuidadosamente dimensionadas, muitas vezes pressurizadas naturalmente para peças de paredes finas.

• Fundição injetada - tem portas curtas e diretas e arranjos de manga de injeção não típicos de portas de moldes descartáveis.

• Molde permanente e molde por gravidade - utilize uma porta que forneça um fluxo constante e controlado com atenção à evacuação do ar.

A seleção depende da resistência do molde, do tipo de fusão, da espessura da peça e da sensibilidade à turbulência.

5. Regras práticas de conceção e dimensionamento

As regras práticas reduzem o ciclo e o erro. Utilize-as como pontos de partida e, em seguida, aperfeiçoe-as com simulações e ensaios em oficina.

Orientações gerais

• Tubo cónico: a área da secção transversal reduz-se suavemente em direção à base para manter uma velocidade quase uniforme e evitar a aspiração.

• Dimensionamento do estrangulador: um único estrangulador eficaz controla o caudal e reduz a turbulência; frequentemente, a entrada ou uma secção reduzida do rotor serve esta função.

• Rácios de área: manter os rácios entre a área do jito e a área da calha e entre a área da calha e a área do lingote para evitar o congelamento prematuro ou a fome. Os pontos de partida comuns colocam a área da secção transversal da calha entre 2 a 4 vezes a área da entrada, dependendo da taxa de vazamento.

• Perfil do canal: canais redondos ou trapezoidais com raios suaves reduzem a erosão da superfície.

• Forma da porta: as portas arredondadas ou cónicas produzem um fluxo de entrada mais suave; as portas rectangulares são utilizadas para peças de grande volume em que o corte é eficiente.

• Localização do riser: posicionar os risers nas secções mais pesadas e assegurar que a distância de alimentação é minimizada.

Segue-se uma tabela de regras gerais para a fundição em areia convencional. Estes são números iniciais. Refinar por processo, liga e simulação.

(Utilizar estes valores como base de referência. Iterar sempre com simulações ou testes de vazão).

6. Física do escoamento e controlo da turbulência

O enchimento do molde é um problema de dinâmica de fluidos transiente com transferência de calor e acoplamento de solidificação. Princípios fundamentais:

• O fluxo laminar ou ligeiramente turbulento perto da porta evita o arrastamento de óxido. Altos números de Reynolds em curvas acentuadas criam vórtices que prendem o gás.

• As transições suaves do fluxo vertical para o horizontal e as junções arredondadas reduzem os picos de velocidade locais.

• As armadilhas de saltação ou de rotação podem induzir um movimento giratório que separa as escórias mais pesadas do fluxo principal.

• O estrangulamento reduz a energia cinética a montante, permitindo que a rede de canais actue como um amortecedor e permita que a escória flutue para cima num poço antes de atingir a entrada.

• A ventilação perto da comporta e das secções finas reduz a contrapressão que pode causar desvios.

A utilização de caraterísticas de controlo do fluxo reduz os cortes a frio, a porosidade e os defeitos de superfície.

7. Considerações específicas do alumínio

As ligas de alumínio têm necessidades únicas de gating. A sua elevada condutividade térmica e o seu ponto de fusão mais baixo, em comparação com o aço, exigem tempos de enchimento mais curtos e uma retenção robusta de hidrogénio e óxidos dissolvidos.

Pontos-chave para o alumínio

• São frequentemente necessárias taxas de enchimento mais rápidas para evitar o arrefecimento em secções finas e longas. Isto aumenta o risco de turbulência e de películas de óxido.

• A porosidade de hidrogénio é um defeito predominante nas peças fundidas de alumínio. O hidrogénio dissolvido surge com a queda de pressão e forma porosidade durante a solidificação. A desgaseificação, o manuseamento cuidadoso da massa fundida e a filtragem ajudam a atenuar este problema.

• Os filtros de espuma de cerâmica e os colectores de gating/runner adequados reduzem a entrada de óxidos e inclusões não metálicas na cavidade. Quando combinada com um coletor de escuma bem colocado, a filtragem melhora consideravelmente a integridade da superfície.

Quadro Lista de controlo do fecho de alumínio

8. Simulação e otimização

A simulação numérica é uma prática padrão para a conceção de comportas modernas. As ferramentas calculam sequências de enchimento, identificam pontos quentes e quantificam a turbulência e o aprisionamento de ar. A simulação ajuda a reduzir os ensaios de vazamento e acelera a otimização.

• Utilize a simulação de fluxo e solidificação antecipadamente para comparar várias opções de gating. As ferramentas de otimização automática podem variar os tamanhos das portas, a disposição dos canais e a geometria dos tubos ascendentes dentro das restrições para encontrar soluções com o mínimo de defeitos.

• Validar a simulação com um conjunto de testes físicos de vazamento e inspeção radiográfica, uma vez que os modelos dependem de dados de entrada corretos para as propriedades do metal e a temperatura de vazamento.

9. Defeitos relacionados com a portagem e soluções

Segue-se uma matriz compacta de defeitos centrada nas causas profundas e nas soluções práticas relacionadas com o gating.

10. Estratégias práticas de disposição, corte e fixação

• Colocar as corrediças para minimizar o corte em superfícies críticas. Utilizar barras de deslizamento sacrificiais sempre que possível para o corte automático.

• Posicionar as portas nas faces não críticas ou nas zonas de tolerância de maquinagem.

• Utilize modelos de estrangulamento que deixem uma quantidade razoável de material para aparar e, ao mesmo tempo, controlem o fluxo.

• Para a preparação automatizada, normalize as localizações das portas numa família de peças para permitir que as operações a jusante decorram de forma consistente.

11. Métricas e inspeção

Acompanhar as métricas relacionadas com a gutação para controlar a qualidade: tempo de enchimento, temperatura de vazamento, índice de limpeza da massa fundida, taxas de porosidade, resíduos atribuídos à gutação. Os métodos de inspeção típicos incluem radiografia, tomografia computorizada, testes ultra-sónicos e verificações visuais. Implementar a análise da causa raiz dos defeitos devolvidos e atualizar as regras de gating com alterações corretivas da geometria.

12. Exemplos de dispositivos de fecho

Tubo único com barra de rolamento e várias entradas: Bom para moldes de tamanho médio, com várias cavidades, quando é necessária uma distribuição uniforme.
Múltiplos downsprues que alimentam loops de corredores separados: Utilizado para peças fundidas de grandes dimensões em que, de outra forma, os percursos de fluxo longos arrefeceriam demasiado.
Armadilha de centrifugação com filtragem a montante da entrada: Nas linhas de produção de alumínio é comum combinar a filtração mecânica com a sedimentação.

13. Quadros: comparações e referências rápidas

Quadro A. Lista de verificação de componentes para a revisão da conceção de portas

Tabela B: Comparação do tipo de porta

14. Lista de controlo da aplicação para as fundições

1. Definir a liga de fundição e as propriedades mecânicas necessárias.

2. Escolher a classe de gating adequada ao processo e à geometria da peça.

3. Traçar a rede sprue-runner-ingate utilizando rácios de base.

4. Adicionar filtragem e recolha de escumas para alumínio ou produtos de fusão sujos.

5. Simular o enchimento e a solidificação. Verificar pontos quentes e defeitos previstos.

6. Efetuar testes em pequena escala, inspecionar e iterar.

7. Finalizar as ferramentas e normalizar as gamas de produção.

8. Registar as métricas e atualizar a conceção à medida que os materiais ou o tempo de ciclo mudam.

15. FAQs

1. Qual é a alteração mais importante para reduzir os defeitos de fundição causados pelo gating?
Controlar a turbulência no portão e adicionar filtração a montante ou um spin trap. A entrada de baixa turbulência combinada com a filtração reduz drasticamente os óxidos e inclusões arrastados.

2. Devo sempre afunilar o jito?
Sim. Um sprue cónico mantém uma velocidade quase constante e reduz o risco de aspiração. Os sprues não cónicos provocam a formação de vórtices e o arrastamento de ar.

3. Como posso reduzir a porosidade do hidrogénio em peças fundidas de alumínio?
Combine a desgaseificação da massa fundida, a velocidade de vazamento controlada, a filtragem adequada e a redução da exposição à humidade. O posicionamento de colectores de escuma antes das comportas também ajuda.

4. Quando é que um portão inferior é melhor do que um portão superior?
As comportas inferiores são preferidas quando o enchimento ascendente produz menos turbulência nas superfícies críticas ou quando o enchimento ascendente melhora a solidificação direcional.

5. Qual deve ser o tamanho de uma entrada em relação ao corredor?
Começar com uma relação entre a área da calha e a área do anel de 2 a 4, dependendo da espessura das secções, e depois aperfeiçoar com simulações e ensaios.

6. A simulação pode substituir os ensaios em oficina?
Não. A simulação orienta o projeto e reduz as iterações, mas é necessária uma validação final através de ensaios de vazamento, uma vez que os dados como o comportamento real do óxido e a limpeza da fusão podem variar.

7. Os filtros de espuma de cerâmica são sempre necessários?
Nem sempre, mas são altamente recomendados para o alumínio e outras ligas que formam óxidos ou contêm inclusões. Aumentam a qualidade da superfície e reduzem o retrabalho.

8. Como é que as escolhas de gating afectam o rendimento?
Os corredores mais largos e os tubos de subida grandes aumentam o desperdício e reduzem o rendimento. Optimize os percursos dos portões e utilize vários tubos de elevação mais pequenos sempre que possível para equilibrar a eficácia da alimentação e o rendimento.

9. O que é uma armadilha de rotação e quando é que a devo utilizar?
Um coletor de rotação é um coletor na junção do corredor que direciona o fluxo para um redemoinho para separar a escória. Utilize-o quando a escória e as impurezas são um problema regular e a filtragem por si só é insuficiente.

10. Com que frequência deve ser revista a conceção da porta de entrada?
Rever quando se altera a liga, a geometria da peça, o tempo de ciclo ou quando as taxas de defeito aumentam. Implementar processos de alteração controlados para garantir que as actualizações de gating são testadas.

16. Recomendações finais para a AdTech

1. No caso das fundições de alumínio, combine melhorias nas comportas com sistemas de desgaseificação da massa fundida e filtragem de cerâmica para tratar simultaneamente do fluxo e da limpeza da massa fundida.

2. Use a simulação no início da fase de projeto para selecionar topologias de passagem promissoras e priorizar a colocação de risers.

3. Padronizar um pequeno conjunto de modelos de gating para famílias de peças para acelerar a utilização de ferramentas e simplificar o corte automático.

4. Capturar métricas de processo e correlações de defeitos para que a conceção de gating se torne uma parte continuamente melhorada do ciclo de controlo do processo.

Principais fontes utilizadas para orientação factual e síntese das melhores práticas

• Manuais de fundição e resumos de conceção de portas modernas que definem os componentes e objectivos do sistema de portas.

• Tutoriais práticos sobre processos e fundição em areia que listam os elementos de vedação e as recomendações de rotina da oficina.

• Artigos técnicos e estudos de casos industriais sobre a otimização sistemática e a conceção de portas guiadas por simulação.

• Artigos da indústria e notas técnicas sobre técnicas de gating, risers, spin traps e estratégias de ventilação.