UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA –DEM PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS - PGCEM

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UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA –DEM PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E

ENGENHARIA DE MATERIAIS - PGCEM

Formação: Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO OBTIDA POR

Rui Patrick Konrad Mendes

AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DOS PARÂMETROS DO PROCESSO DE FUNDIÇÃO SOB PRESSÃO SOBRE A QUALIDADE DE UMA PEÇA INJETADA

EM LIGA DE ALUMÍNIO.

Apresentada em 08 / 12 / 2005 Perante a Banca Examinadora:

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UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC

CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA - DEM

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS – PGCEM

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO

Mestrando: Rui Patrick Konrad Mendes – Engenheiro Mecânico

Orientador: Prof. Dr. GUILHERME OURIQUE VERRAN

CCT/UDESC – JOINVILLE

AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DOS PARÂMETROS DO PROCESSO DE FUNDIÇÃO SOB PRESSÃO SOBRE A QUALIDADE DE UMA PEÇA INJETADA

EM LIGA DE ALUMÍNIO.

DISSERTAÇÃO APRESENTADA PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE MESTRE EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS DA UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA, CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT, ORIENTADA PELO PROF. DR. GUILHERME OURIQUE VERRAN

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UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA - UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT

COORDENAÇÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO - CPG

AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DOS PARÂMETROS DO PROCESSO DE FUNDIÇÃO SOB PRESSÃO SOBRE A QUALIDADE DE UMA PEÇA INJETADA

EM LIGA DE ALUMÍNIO.

por

Rui Patrick Konrad Mendes

Essa dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de

MESTRE EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS

na área de concentração "Metais", e aprovada em sua forma final pelo

CURSO DE MESTRADO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS

DO CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA

UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA

(presidente)

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FICHA CATALOGRÁFICA

NOME: MENDES, RUI PATRICK KONRAD

DATA DEFESA: 08/12/2005

LOCAL: Joinville, CCT/UDESC

NÍVEL: Mestrado Número de ordem: 52 – CCT/UDESC FORMAÇÃO: Ciência e Engenharia de Materiais

ÁREA DE CONCENTRAÇÃO: Metais não Ferrosos (tirar)

TÍTULO: Avaliação da Influência dos Parâmetros do Processo de Fundição Sob Pressão sobre a Qualidade de uma Peça Injetada em Liga de Alumínio.

PALAVRAS - CHAVE: Ligas de Alumínio, Fundição sob pressão, Defeitos, Simulação,

Parâmetros de injeção. .

NÚMERO DE PÁGINAS: 87 p.

CENTRO/UNIVERSIDADE: Centro de Ciências Tecnológicas da UDESC PROGRAMA: Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PGCEM

CADASTRO CAPES: 4100201001P-9

ORIENTADOR: Dr. Guilherme Ourique Verran

PRESIDENTE DA BANCA: Dr. Guilherme Ourique Verran

MEMBROS DA BANCA: Dr. Cláudio Shyinti Kiminami, Dr. César Edil da Costa, Dr. Luis

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AGRADECIMENTOS

ƒ Ao Prof. Dr. Guilherme Ourique Verran, que como orientador e amigo soube cobrar, mas também não mediu esforços em oferecer todas as condições necessárias à realização do presente trabalho.

ƒ À Universidade do Estado de Santa Catarina – UDESC e ao Programa de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PGCEM pela realização do presente trabalho.

ƒ Ao Centro de Ciências Tecnológicas e ao Departamento de Engenharia Mecânica pela infraestrutura oferecida.

ƒ À empresa WEG INDUSTRIAS S.A. pela disponibilização das instalações, materiais e máquinas utilizados nesse trabalho.

ƒ A todos os professores do Curso de Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais, que de uma forma direta ou indireta contribuíram para a realização desse trabalho.

ƒ Aos amigos, pelo apoio técnico e moral recebido durante o desenvolvimento desse trabalho.

ƒ À Especialista em Engenharia de Fundição Luciana Stewe pelo auxílio na realização das simulações.

ƒ Aos Engs. Mecânicos Eurídes de Araújo Neto, Marco Aurélio Rossi e Anderson pelo auxílio na realização dos experimentos e na realização dos ensaios de caracterização.

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SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ... 5

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA... 7

2.1. Processo de Injeção sob Pressão ... 7

2.1.1. Principais defeitos em peças injetadas... 7

2.1.2. Principais parâmetros do processo de injeção... 11

2.2. Simulação aplicada ao processo de injeção ... 17

2.3. Métodos Experimentais... 18

2.3.1. Introdução... 18

2.3.2. Conceitos gerais sobre métodos experimentais... 19

2.3.3. Etapas para o desenvolvimento de um Planejamento de Experimentos DOE (Design of Experiments) ... 20

3. METODOLOGIA ... 27

3.1. Caracterização do problema ... 27

3.2. Escolha dos parâmetros de influência e níveis ... 32

3.2.1. Parâmetros relacionados com a Câmara de Injeção ... 34

3.2.2. Parâmetros relacionados com ao metal no caso a liga de alumínio empregada.. 34

3.2.3. Parâmetros Relacionados ao Matriz... 37

3.2.4. Parâmetros Relacionados com a Injetora... 38

3.3. Escolha dos níveis ... 39

3.4. Seleção dos fatores de controle e das variáveis de resposta ... 42

3.4.1. Critério 1: Índice Visual de Porosidades ... 43

3.4.2. Critério 2: Densidade pelo Princípio de Arquimedes... 44

3.4.3. Critério 3: Índice Quantitativo de Porosidades... 45

3.5. Determinação da matriz experimental ... 47

3.6. Descrição da seqüência de fabricação da peça ... 49

3.7. Monitoração dos fatores de ruído ... 50

3.8. Monitoração e ajuste dos fatores de controle ... 52

4. APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS ... 55

4.1. Análise dos Dados do Experimento (avaliação usando as ferramentas estatísticas) ... 55

4.1.1. Avaliação dos fatores de controle... 55

4.1.2. Avaliação das variáveis de resposta ... 56

4.2. Avaliação das influências dos parâmetros de injeção ... 64

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2 4.3. Analise comparativa entre os resultados experimentais e os resultados das

simulações... 68

5. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES... 75

6. SUGESTÕES PARA FUTUROS TRABALHOS... 76

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 77

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RESUMO

Nesta dissertação é descrito um estudo realizado em parceria entre a

LabFund/DEM/PGCEM/UDESC e os Departamentos de Engenharia Industrial, de Controle

da Qualidade e de Injeção de Alumínio da WEG Motores envolvendo a combinação de uma

metodologia experimental DOE e de um aplicativo numérico comercial para investigar a

influência dos parâmetros de injeção velocidade na primeira fase, velocidade na segunda

fase e pressão de recalque sobre a qualidade de peças injetadas usando a liga SAE 305.

Inicialmente foi elaborado um plano de corridas experimentais onde foram utilizadas

diversas combinações entre os três parâmetros de injeção acima mencionados de forma a

possibilitar a avaliação de suas influências quanto à ocorrência de defeitos de fundição tais

como porosidades e solda fria. Para avaliação da sanidade das peças obtidas foram

realizadas inspeções visuais pelo pessoal do controle de qualidade da empresa, análises

fotográficas e determinação das porosidades usando analisador de imagens, bem como

medições de densidade em uma região significativa de uma peça que apresentava uma

grande incidência de porosidades após a sua usinagem. Com base nos resultados obtidos

através destas análises foram realizadas simulações numéricas do processo usando as

combinações de parâmetros de injeção que apresentaram os melhores e os piores resultados

quanto à presença de porosidades e solda fria nas corridas experimentais. Os resultados

obtidos permitiram avaliar as influências de variações nos três diferentes parâmetros de

injeção estudados sobre a sanidade das peças obtidas. Foi possível também determinar as

combinações de parâmetros que permitiram a obtenção dos melhores e piores resultados

quanto à presença de porosidades.

Os melhores valores em termos de sanidade interna da peça em estudo foram

obtidos com a utilização de baixas velocidades de injeção, tanto na primeira fase, como na

segunda fase e elevadas pressões de recalque. Os valores de densidade, e conseqüentemente

a sanidade interna apresentaram relação direta com as pressões de recalque e velocidades

de injeção utilizas. A velocidade na segunda fase da injeção apresenta uma forte influência

sobre a ocorrência de solda fria em peças injetadas.

Palavras-chave: ligas de alumínio, fundição sob pressão, defeitos, simulação,

parâmetros de injeção.

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ABSTRACT

This paper describes the results obtained in a study performed in partnership

between LabFund/DEM/PGCEM/UDESC and the Departments of Industrial Engineering,

of Control of the Quality and of Aluminum Die Casting of WEG Motors involving the

combination of an experimental methodology DOE (Design of Experiments) and a

commercial numeric applicative to investigate the influence from the Die Casting Process

parameters: plunger velocity in the first and second stages and upset pressure over the

quality from the parts produced with SAE 305 aluminum alloy. Initially was performed a

design of experiences where were used several combinations between the three Die Casting

parameters studied in order to enable the evaluation from its influences regarding the

foundry defects occurrence such as porosities and cold shuts. Sanity evaluation from

castings was performed by visual inspections and quantitative metal graph analyses, as well

as density measurements in a significant region from the part in which appear large

quantities of porosities after surface machining. Based on the results obtained through those

analyses, were performed numeric simulations from the die casting process using the same

parameters in which were obtained the best and the worst results regarding the presence of

porosities and cold shuts in the experiments. The comparison between experimental results

and the information obtained through the analyses of the performed simulations shows a

good convergence regarding the trend to porosity and cold shuts occurrence in function of

the variations from the die casting injection. The results make possible to evaluate the

influences from the variations on the integrity in the components from three different die

casting parameters studied.

The gotten results had allowed evaluating the influences from the variations in the

three different die casting parameters studied over the parts internal quality. It was possible

also to determine the parameters combinations which results in the best and worst internal

quality from the die cast part. The best values had been gotten using low plunger velocities,

as much in the first, as in the second stages and highest injection pressures. The density

values and the internal quality had consequently presented direct relation with the die

casting pressures and plunger velocities. The second stage velocity presented a strong

influence on the cold shuts occurrence in the die cast parts

Key words: aluminum alloys, die castings, defects, simulation, injection parameters.

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