Guias de projeto para fundição de alumínio sob pressão

Projetar corretamente peças fundidas em alumínio apresenta muitos desafios. Mesmo um pequeno detalhe de projeto pode ter um impacto significativo nos componentes fundidos; portanto, cada detalhe deve ser projetado de acordo com princípios orientadores.

Aqui, listamos diversas considerações importantes no projeto estrutural de peças fundidas de alumínio, juntamente com guias de projeto recomendados para cada fator, na esperança de auxiliá-lo no projeto do seu produto.

I. Seleção de Materiais

O design do produto pode variar significativamente dependendo do material escolhido. Cada liga tem certas limitações. Para alcançar integridade e resistência ideais em peças fundidas de alumínio, é necessário um projeto e execução cuidadosos.

Dependendo dos elementos metálicos utilizados com o alumínio, as características da liga, como peso, fluidez, resistência, condutividade e ponto de fusão, variam. No entanto, nem todas as ligas são adequadas para fundição sob pressão.

As ligas de alumínio comuns que você pode usar para fundição sob pressão incluem:

• A380
• A383 (ADC12)
• A413

Muitas outras ligas de alumínio também estão disponíveis. A escolha certa depende das suas necessidades específicas e das restrições orçamentárias.

II. Ângulo de inclinação

O ângulo de inclinação é um dos parâmetros mais importantes no projeto de fundição de alumínio sob pressão. Trata-se da conicidade ou inclinação dada aos núcleos e superfícies da peça que são perpendiculares ao plano de partição do molde.

Os projetistas devem garantir ângulos de saída suficientes quando necessário. Sem um ângulo de saída adequado, a peça fundida será difícil de ejetar após a solidificação, podendo danificá-la ou até mesmo o próprio molde.

Ao calcular os ângulos de inclinação, considere os seguintes fatores:

• A maioria dos elementos geométricos normalmente adota ângulos de inclinação comuns.
• Para paredes e superfícies internas, o ângulo de inclinação é geralmente o dobro do das paredes externas.
• Os requisitos do ângulo de inclinação podem variar de acordo com o material da liga; o ângulo deve ser calculado com base na liga de alumínio selecionada.

Caso se deseje um ângulo de inclinação menor, podem ser utilizadas tolerâncias de precisão. No entanto, estas exigem usinagem mais precisa e acarretam custos mais elevados. Portanto, a menos que seja estritamente necessário, recomenda-se evitar tolerâncias de precisão.

III. Matrizes móveis e fixas

É crucial considerar o encaixe entre a matriz móvel (metade ejetora) e a matriz fixa (metade da tampa) durante o projeto. Problemas com qualquer um dos componentes podem prejudicar a usinagem do alumínio. processo de fundição sob pressãoO projeto de matrizes móveis geralmente enfrenta mais desafios, pois há mais componentes a serem considerados, enquanto a construção de matrizes fixas é relativamente simples. Quando o material é injetado no molde, o núcleo pode deslizar para fora devido à pressão do excesso de material, resultando em peças fundidas superdimensionadas, o que requer atenção.

A tolerância dos componentes móveis da matriz é função da tolerância linear e da tolerância da área projetada. Aqui, a tolerância linear refere-se ao comprimento da guia do núcleo, enquanto a área projetada é a parte superior da guia do núcleo voltada para o material fundido.

O deslocamento pode ocorrer ao longo de uma direção linear perpendicular à área projetada. Portanto, idealmente, a tolerância dos componentes móveis da matriz deve ser mantida no mínimo.

Devido à construção dos equipamentos de fundição sob pressão, apenas tolerâncias grandes ou positivas podem ser alcançadas durante o processamento.

IV. Linha de Separação

A linha de partição é o local onde as duas metades do molde se encontram para formar a estrutura completa do produto. A linha de partição é uma característica fundamental do processo de fundição sob pressão e, como os projetos de produtos consistem em pelo menos duas partes, sua presença é inevitável.

A linha de partição é o limite nítido entre as partes móveis e fixas do molde. Esse limite serve para distinguir as duas. A tolerância da linha de partição refere-se à separação máxima permitida no molde para garantir a execução correta do processo de fundição de alumínio sob pressão.

Quando a pressão do material tenta forçar a separação das duas metades do molde, o material flui para fora pela abertura criada na linha de partição. Isso é conhecido como rebarba na fundição sob pressão. As peças fundidas requerem um processo adicional de acabamento para remover rebarbas, canais de alimentação, entradas e excesso de material.

A tolerância da linha de partição é uma função da área projetada do molde, que representa a superfície de separação onde o material fundido se move de uma metade do molde para a outra.

Um molde perfeitamente fechado não apresenta separação entre suas duas metades, portanto a tolerância da área projetada sempre terá um valor positivo. O grau de separação do molde depende da pressão na cavidade do molde e da força de fechamento utilizada para manter as duas metades unidas.

As tolerâncias da linha de partição podem variar dependendo da liga, do tamanho da peça e da profundidade. Tolerâncias padrão e de precisão recomendadas para linhas de partição em fundição sob pressão estão disponíveis; no entanto, se a área projetada exceder 300 mm², consulte seu fundidor.

V. Tolerância de Usinagem

A sobremargem de usinagem refere-se à quantidade de matéria-prima que pode ser removida do produto acabado. peças de fundição de alumínioA superfície de uma peça fundida pode apresentar alguma rugosidade e desviar-se geometricamente do projeto original. Portanto, é necessário um processo de usinagem secundário após a fundição para corrigir esses erros.

As melhores propriedades mecânicas e a densidade de uma peça fundida geralmente se encontram na superfície ou próximo a ela. Isso significa que, durante a usinagem, deve-se evitar a remoção excessiva de material para não comprometer essas propriedades. Consequentemente, a sobremedida de usinagem deve ser cuidadosamente determinada para garantir que as áreas de baixa densidade não sejam atingidas. A remoção excessiva de material pode levar a defeitos no produto.

Durante a fase de projeto, é fundamental definir tolerâncias de usinagem específicas para as variáveis ​​de usinagem e fundição. Uma tolerância de usinagem muito pequena pode não atender aos requisitos de qualidade superficial e levar a defeitos na peça. Por outro lado, uma tolerância excessivamente grande aumenta o tempo de produção, a mão de obra e os custos. Portanto, determinar a tolerância de usinagem adequada é vital. A comunicação prévia com os fornecedores de peças fundidas pode ajudar a determinar a tolerância correta. Podemos oferecer sugestões com base nas suas necessidades e nas características do processo de fundição.

Geralmente, a sobremedida mínima recomendada para usinagem é de 0.2 mm para reduzir o desgaste da ferramenta e minimizar a porosidade na peça fundida. A sobremedida máxima para usinagem é a soma desse valor mínimo com a deformação da peça fundida. Isso significa que a possível deformação durante o processo de fundição também deve ser considerada ao determinar a sobremedida.

No entanto, peças planas e grandes exigem considerações adicionais. Nesses casos, você pode consultar seu fundidor para garantir os valores de tolerância de usinagem.

VI. Espessura da parede

A espessura uniforme das paredes deve ser mantida no projeto do produto. O metal precisa fluir uniformemente durante o processo de fundição para preencher todas as partes do molde. Se a espessura da parede for irregular, o fluxo de metal pode ser dificultado, resultando em algumas áreas não preenchidas. Além disso, a espessura uniforme da parede facilita o resfriamento e a solidificação uniformes, resultando em peças fundidas de maior qualidade. Portanto, manter a espessura uniforme da parede pode melhorar significativamente a qualidade e a integridade da fundição.

Se as considerações de projeto exigirem uma mudança na espessura da parede, a transição deve ser gradual — introduzindo filetes ou raios — em vez de abrupta. Isso evita deixar arestas vivas no projeto.

Em projetos de produtos, deve-se evitar arestas vivas, pois elas afetam o fluxo do metal e dificultam a desmoldagem após a fundição. No entanto, se as paredes se encontrarem na linha de partição, as arestas podem ser mantidas como estão, já que pequenas variações na espessura da parede nesse ponto geralmente não impactam significativamente o fluxo do metal ou a desmoldagem.

Não existe um padrão fixo para a espessura da parede em peças fundidas de alumínio, mas geralmente recomenda-se mantê-la dentro de uma faixa razoável. A espessura típica da parede para peças fundidas de alumínio varia entre 2.0 mm e 3.5 mm.

No entanto, a espessura da parede também é influenciada pelo tipo de liga, configuração da peça, tamanho da peça e aplicação da fundição sob pressão. Por exemplo, se o tamanho da peça fundida for pequeno, a espessura da parede pode ser reduzida proporcionalmente, chegando até mesmo a 0.7 mm.

Para componentes de fundição de alumínio muito pequenos ou muito grandes, podem existir circunstâncias ou requisitos especiais em que a espessura da parede exceda os limites típicos. Se encontrar dificuldades com a espessura da parede, pode consultar o seu fornecedor de peças fundidas.

Paredes mais espessas podem aumentar a rigidez da peça. No entanto, se forem muito pesadas, o tempo de resfriamento será prolongado, prejudicando o processo de solidificação. Isso pode levar a uma baixa qualidade da peça fundida, a menos que medidas apropriadas sejam tomadas.

Paredes espessas também adicionam peso extra ao produto. Consequentemente, projetistas focados em peças mais leves preferem paredes finas. Mas se as paredes forem feitas muito finas, ultrapassando um certo limite, a rigidez será muito baixa e a peça se deformará facilmente durante o processamento posterior.

Problemas de deformação podem ser resolvidos por meio de usinagem gradual. No entanto, paredes finas em peças fundidas carecem de rigidez e resistência. A adição de nervuras de reforço pode melhorar significativamente a rigidez de paredes finas, tornando-as mais estáveis.

A tecnologia moderna de fundição sob pressão é suficientemente avançada para lidar com a maioria dos parâmetros críticos de projeto. No entanto, ainda é necessário considerar a espessura da parede, caso ela afete o desempenho ou o custo da peça.

VII. Design Leve

O design com nervuras e o design com rebaixos (ranhuras) são duas características comuns em projetos de baixo peso. Essas características podem reduzir significativamente a quantidade de material necessária para a produção, sem comprometer a integridade e a resistência do componente.

O projeto de nervuras normalmente envolve a criação de espaços ocos dentro das nervuras para reduzir o uso de material, tornando a peça mais leve. As seções entre as nervuras geralmente não são muito úteis e podem ser removidas do projeto sem problemas.

Ao projetar nervuras para peças fundidas de alumínio, leve em consideração os seguintes pontos:

• Evite arestas vivas nas costelas: arestas vivas podem causar concentração de tensão e aumentar o risco de fratura. Recomenda-se o uso de filetes ou raios, sendo estes os maiores possíveis. Considere um raio mínimo de 0.06 polegadas (1.524 mm).
• Mantenha a espessura da parede uniforme ao redor das nervuras: Isso garante a resistência e a durabilidade das nervuras em todas as seções. Procure manter essa espessura próxima aos valores recomendados.
• Proporcione o maior ângulo de inclinação possível.

Projetar reentrâncias é outra técnica para reduzir o peso do material. Como a reentrância não precisa ser preenchida, a quantidade de material necessária é reduzida. No entanto, as reentrâncias podem, às vezes, levar a uma retração irregular. Portanto, os projetistas devem decidir cuidadosamente onde utilizá-las.

Para aumentar a resistência estrutural de um recesso, você pode adicionar nervuras ao redor dele. As nervuras aumentam a rigidez do recesso e ajudam o metal a fluir melhor durante a fabricação. Além disso, a redução do consumo de metal aumenta a taxa de resfriamento, o que ajuda a acelerar todo o ciclo de produção.

A figura abaixo demonstra o efeito de reentrâncias com e sem nervuras em uma peça.

VIII. Costelas

As nervuras são incorporadas aos projetos para aumentar a rigidez e a resistência das peças fundidas de alumínio. Dessa forma, elas contribuem para a produção de peças fundidas de alta qualidade. Frequentemente, são utilizadas em conjunto com áreas mais frágeis (como paredes finas) para conferir-lhes maior resistência.

As nervuras geralmente oferecem mais resistência do que perfis maciços mais espessos, pois estes tendem a apresentar maior porosidade, o que reduz sua capacidade de suportar cargas estruturais. No entanto, o uso excessivo de nervuras pode causar concentração de tensões nas bordas das mesmas.

As nervuras são geralmente projetadas com seções ocas, conhecidas como designs de recesso para economia de metal. Esses métodos reduzem o uso de material nas nervuras e diminuem o peso da peça.

As tabelas abaixo mostram as dimensões recomendadas para as cavernas em cenários comuns e situações em que elas não devem ser utilizadas.

IX. Projeto de furos e espaçamento de borda

Em peças fundidas de alumínio, se um furo estiver muito próximo de uma borda, isso resulta em um ponto frágil. Para evitar a concentração excessiva de tensões nessa área, deve-se garantir uma folga mínima entre o furo e a borda. Portanto, o espaçamento adequado entre o furo e a borda deve ser determinado com base no diâmetro do furo. Da mesma forma, uma distância mínima deve ser mantida entre dois furos adjacentes. Assim, tanto os diâmetros dos furos quanto as áreas de concentração de tensões devem ser considerados simultaneamente.

Manter um espaçamento suficiente é necessário para evitar a criação de pontos fracos. Se o espaçamento entre um furo e uma borda for insuficiente, você também pode considerar a usinagem secundária do furo.

X. Furos e ranhuras

Em termos de complexidade de projeto, furos e ranhuras geralmente são a menor das suas preocupações. No entanto, mesmo a fundição de alumínio mais simples exige atenção aos detalhes do projeto. É fundamental garantir a viabilidade de fabricação durante a fase de projeto.

As aplicações mais comuns de furos e ranhuras são em diversos invólucros de equipamentos eletrônicos, como laptops e calculadoras. Esses dispositivos exigem muitos furos, o que pode causar problemas de fluxo de metal.

• Furos e ranhuras também podem dificultar a desmoldagem. À medida que a peça solidifica e encolhe, o material fundido pode aderir ao molde. Ao projetar furos e ranhuras, você pode seguir estas sugestões para solucionar esses problemas:
• Garanta ângulos de inclinação suficientes: Os cálculos de inclinação mostram que furos e ranhuras exigem mais inclinação do que qualquer outra peça. Isso ocorre porque o perímetro interno de um furo ou ranhura é uma superfície plana e fechada.
• Utilize elementos semelhantes a pontes: Para evitar problemas de fluxo de metal, você pode usar elementos semelhantes a pontes para garantir um fluxo contínuo de metal entre furos e ranhuras.
• Substitua ranhuras grandes por furos pequenos: Se o projeto permitir, ranhuras grandes devem ser substituídas por uma série de furos pequenos. Ranhuras longas podem interromper o fluxo de metal e comprometer a integridade da peça fundida.

XI. Fio

Ao discutirmos a formação de roscas, estamos nos referindo principalmente a roscas externas fundidas. Embora seja teoricamente possível fundir roscas internas, elas são pouco utilizadas devido à complexidade e ao custo de fabricação.

Roscas externas podem ser fabricadas utilizando equipamentos padrão de fundição de alumínio, desde que estejam corretamente alinhadas com a linha de partição, ou por meio de um mecanismo deslizante simples. Roscas internas requerem um mecanismo para girar um núcleo dentro do molde. Isso aumenta os custos tanto do molde quanto da peça. Para maior velocidade de produção e eficiência econômica, as roscas internas geralmente são criadas por meio de usinagem secundária, como a usinagem de roscas. Isso também elimina a necessidade de remover cavacos do furo.

Equipamentos de fundição de alumínio podem facilmente formar roscas. Roscas fundidas são normalmente limitadas a roscas externas onde ajustes de alta precisão não são necessários.

Se a sua peça precisar atender a requisitos de ajuste de alta precisão, consulte a sua fundição. Usinagem secundária pode ser necessária para atingir maior precisão. Além disso, os diâmetros principais devem seguir as definições de rosca acordadas entre as partes.

A seguir, são apresentadas as dimensões limite para roscas fundidas:

Ao fazer roscas, tenha em mente o seguinte:

• Pode ser necessário realizar operações adicionais de corte para remover as rebarbas formadas entre as roscas.
• Sempre que possível, tente aplicar tolerâncias diretas em vez de especificar tipos de rosca. Esses valores incluem tolerâncias para componentes móveis da matriz, linhas de partição e dimensões lineares.
• Quando forem necessárias tolerâncias de rosca mais rigorosas, consulte a fundição.
• Manter a rosca plana na linha de junção pode simplificar bastante o processo de fabricação. Uma rosca de diâmetro total não é estritamente necessária. Mantê-la plana permite pequenas movimentações do molde sem afetar o componente.

O diagrama a seguir mostra a configuração recomendada para threads externas.

XII. Inserções

Um inserto é uma peça de material sólido colocada no molde que se torna parte integrante da peça fundida de alumínio. Os insertos são utilizados quando a liga selecionada não atende aos requisitos e o projeto exige a integração de componentes feitos de outros materiais com a peça fundida.

Existem sistemas especializados para insertos na fundição de alumínio sob pressão. O inserto é colocado dentro da cavidade do molde, e o alumínio fundido flui ao seu redor para completar a fundição.

Você pode precisar incluir insertos roscados em seu projeto quando:

• Os pontos de apoio são propensos ao desgaste.
• As roscas estão sujeitas a desgaste excessivo devido à frequente desmontagem e instalação de fixadores.
• São necessários fios com maior resistência à tração para suportar cargas concentradas.

A fundição com insertos é mais cara do que a fundição convencional, e a complexidade da colocação dos insertos afeta os custos de produção.

Sugestões para inserções:

• Defina claramente todas as especificações técnicas necessárias com o fabricante da peça fundida. Devido às folgas do molde, os insertos geralmente exigem tolerâncias mais rigorosas. Busque a aprovação do fabricante para garantir que as tolerâncias dos insertos sejam suficientes.
• Caso o cliente forneça os insertos, discuta isso com o fabricante para garantir que estejam dentro da faixa de tolerância recomendada. Insertos com tolerâncias inadequadas podem danificar seriamente o molde.
• Analise as tensões causadas pelo inserto para garantir que elas não afetem o desempenho do produto a longo prazo.
• Modele a peça de inserção conforme necessário para garantir que ela forneça ancoragem suficiente para as condições de carga esperadas, assegurando a segurança e a estabilidade estrutural.
• Evite ângulos agudos e outras características que possam causar concentração de tensão na peça.

XIII. Projeto de ranhuras e sulcos

Uma ranhura é um orifício longo que pode ou não ter extremidades arredondadas. É encontrada principalmente em peças planas retangulares de alumínio. Seu comprimento geralmente é limitado. Uma ranhura é sempre um elemento "passante", o que significa que penetra completamente a peça. Dependendo do comprimento e da forma, as ranhuras podem ser de dupla face, com comprimento limitado, de face única ou semicirculares.

Os sulcos podem ter vários formatos e tamanhos, como ranhuras em T, ranhuras em cauda de andorinha, ranhuras retangulares, ranhuras de fundo plano, ranhuras em V e ranhuras em arco circular. Geralmente são cortados ao longo das bordas e usados ​​para montar componentes feitos de outros materiais.

Em projetos, ranhuras e sulcos servem como elementos de fixação para outros componentes ou fornecem aberturas para a passagem de peças como interruptores e alavancas.

Dicas para projetar ranhuras e sulcos:

• Lembre-se de que eles podem prender ou passar por outros componentes.
• Evite colocar entalhes muito próximos uns dos outros, pois isso pode comprometer a integridade da peça e causar problemas de produção.
• Não deixe arestas vivas em ranhuras retangulares/de fundo plano. Arredonde todas as arestas internas e externas o máximo possível para minimizar os custos de revestimento e possíveis defeitos. Pelo mesmo motivo, as bordas das ranhuras em V também devem ser arredondadas.

XIV. Bordas afiadas

Bordas vivas são indesejáveis ​​no projeto de fundição de alumínio. Elas criam pontos quentes na peça fundida, onde a tensão se concentra devido à contração de solidificação. Isso torna os cantos propensos a defeitos. Além disso, o revestimento de bordas vivas é difícil.

Consequentemente, os designers tendem a arredondar todos os cantos vivos, mesmo com um raio mínimo. Aplique filetes, raios ou chanfros a todos os cantos vivos internos e externos.

Outro problema com arestas vivas internas é que elas aumentam significativamente os custos do molde. Os custos de usinagem são altos e aumentam acentuadamente com requisitos de maior precisão.

É possível obter uma aresta perfeita e afiada em bordas externas, mas é quase impossível em bordas internas. Mesmo com as ferramentas mais precisas, as bordas internas sempre terão um raio mínimo.

Você pode aplicar bordas afiadas ao longo da linha de junção para garantir que as duas metades do molde se fechem perfeitamente. Caso contrário, tente minimizar o uso de bordas afiadas.

Como o Getzshape pode ajudar

A Getzshape oferece usinagem CNC personalizada de alta qualidade, fabricação de chapas metálicas, eletroerosão, fundição sob pressão e muito mais. Utilizando equipamentos avançados e rigoroso controle de qualidade, garantimos precisão e entrega no prazo, desde protótipos até grandes lotes de produção. Como seu parceiro de fabricação de ponta a ponta, otimizamos o fornecimento, a usinagem, o pós-processamento e a logística.