Fundição de blocos de motor

Motores de alto desempenho e tecnologia de ponta, são movidos pelo objetivo de reduzir o consumo de combustível e as emissões de gases de exaustão. Este objetivo, no entanto, deve ser alcançado mantendo o sucesso económico (ou seja, a redução de custos). Inúmeras medidas que envolveram um grande esforço de desenvolvimento foram desenvolvidas e implementadas na produção em série pelos fabricantes com o apoio dos fornecedores automotivos. 

Em geral, pode ser feita uma distinção entre modificações externas e internas do motor. A introdução contínua de gases de exaustão no veículo após tratamento por meio de um catalisador ou filtro de partículas diesel é uma medida importante para melhorar as emissões de gases de exaustão. Circuitos inteligentes de controle, como o sistema automático de start-stop e o desligamento parcial de um motor de doze cilindros na categoria premium, estão muito de acordo com a tendência. As modificações internas do motor podem gerar uma mudança no bloco, da qual derivam requisitos modificados para o método de produção da fundição como fornecedor do fabricante de automóveis.

Uma vez que o bloco é o maior componente do motor, há um forte foco no que diz respeito à redução do consumo através da redução do peso. A regra geral é: Se a massa do automóvel de passageiros for reduzida em 100 kg, o consumo de combustível diminui em 0,3 litros por 100 km. O desenvolvimento material de um bloco é, portanto, de grande importância. As características de densidade e resistência dinâmica do material são fatores de grande influência para a massa do componente. O ferro fundido como material para o bloco está relativamente ultrapassado.

No entanto, a produção em série de blocos em ligas de alumínio, que começou muito mais tarde, representa um ponto crucial para o carro de passageiros. Em princípio, a desvantagem crucial do ferro fundido na versão standard em comparação com o alumínio é a sua maior densidade de 7,2 g/cm³. Os blocos para caminhões são geralmente feitos de ferro fundido até aos dias de hoje. Os dois materiais estão atualmente competindo para serem selecionados como o material para o bloco de automóveis de passageiros de grandes séries.

Um ponto crucial posterior ficou conhecido como "downsizing". O "downsizing" envolve a substituição de motores de grande volume por motores com uma capacidade cúbica menor, mas pelo menos com a mesma potência. É possível reduzir o combustível e os gases de escape ao ter mais potência com o mesmo peso do motor ou mais potência com a mesma capacidade cúbica. A relação potência/peso e a potência de saída por litro são, portanto, os valores característicos para a redução do tamanho. Estes valores são melhorados por meio da sobrealimentação do motor.

Pode ser observada uma evolução gradual do motor naturalmente aspirado para a sobrealimentação e a dupla alimentação. As unidades associadas são o sobrealimentador e o turbocompressor. Para um veículo apropriado, um motor de 4 cilindros em linha de alto desempenho com dupla alimentação representa uma alternativa a um motor de 6 cilindros aspirado naturalmente. Isto também é chamado de downsizing de cilindros. Um cilindro a menos significa menos atrito, um bloco menor, um cabeçote de cilindro menor, menos tampas de rolamentos etc., e, como resultado, menos peso total. Em geral, aumentar a pressão de ignição por meio de sobrealimentação aumenta a carga no bloco. Para compensar isto, as dimensões das paredes teriam de ser mais espessas. No entanto, paredes mais grossas significam um aumento de peso e um maior consumo de combustível. Os materiais com maior resistência são procurados, uma vez que a sua utilização não leva a uma perda da vantagem da sobrealimentação. O downsizing ampliou assim sua visão restrita da densidade para incluir a resistência do material. Este é um grande campo de trabalho para o desenvolvimento na fundição e seus fornecedores. ASK, também contribui para isso: O trabalho de desenvolvimento de resistência crescente através de uma melhor dissipação de calor através do material do molde. Além da composição química do material, a resistência do componente também é determinada pelas propriedades termofísicas do material do molde.

Novas abordagens no desenvolvimento de design leve

  • Bloco hibrido feito de uma estrutura complexa de ferro fundido e liga de alumínio (Gießerei Halberg Guss junto com VAW mandl & berger)
  • Bloco híbrido de liga de alumínio e magnésio (BMW AG, Gießerei Landshut)
  • Ferro fundido de baixa densidade - < 6,8 g/cm³ (Gießerei Halberg Guss)


 

Soluções de sistema em fundição de blocos de motor

A topologia da superfície dos pistões de cilindro, roscas, dutos de óleo muito finos e áreas com tolerâncias dimensionais muito pequenas não podem ser alcançadas em uma única etapa de produção na fundição. O processamento mecânico é utilizado para isto, mas a fundição mais próximo possível de sua forma final é um requisito crucial para este tipo de fundição, para que os custos de processamento possam ser mantidos a um mínimo. As tolerâncias padronizadas de fundição, que também dependem do método de fundição, formam a base.

  • Flexibilidade do tamanho: Todas as dimensões dos blocos podem ser produzidas usando o método de fundição de areia; desde o pequeno bloco de 3 cilindros para carros de passeio até o maior bloco para caminhões.
  • Flexibilidade da geometria: A liberdade de projeto para as cavidades no bloco é muito maior em comparação com o método de fundição sob pressão.
  • Flexibilidade de tempo: Mudanças na geometria, e também protótipos, podem ser implementadas muito mais rapidamente e de forma mais econômica em comparação com o método de fundição sob pressão.

Ao considerar toda a produção, o "nascimento" do bloco começa com o processo primário de moldagem da peça fundida. É feita uma distinção entre a fundição em um molde metálico permanente e em moldes não permanentes. A fundição em moldes não permanentes feitos de areia resinada - fundição em areia - é amplamente difundida na produção de blocos, pois é o método de fundição que une o mais alto nível de flexibilidade com excelente eficiência econômica..

O material da base de moldagem e a resina são de grande importância no método de fundição em areia. A nomenclatura também foi adaptada devido a esta grande importância. No método de pacotes de machos, toda a geometria é representada por machos de areia. A superfície do macho é pintada dependendo do comportamento da viscosidade e pressão do metal líquido, das taxas de enchimento e da faixa de temperatura de fundição. Tintas, uma dispersão de partículas refratárias e água, são usados para ferro fundido, enquanto um tinta em pó para machos é aplicada para o alumínio fundido.

No método de moldagem em areia, pelo menos um contorno principal é fabricado em areia verde. Entretanto, isto também pode envolver cavidades com rebaixos para equipamentos auxiliares e complementares, como uma carcaça de bomba de água, devido aos machos adicionais que foram introduzidos no molde de areia verde. Ambos os tipos de fundição podem ser encontrados na área de ferro fundido.

O método dominante para a fabricação de blocos com ligas de alumínio é o método de pacote de machos. O aumento do teor de hidrogênio no alumínio fundido causa defeitos de fundição. O molde aquece devido ao resfriamento do metal líquido. A resina contida nos machos é aquecida e emite gás que encontra seu caminho através do corpo poroso do material do macho até a fronteira entre o macho e o metal líquido. Se o gás contiver hidrogênio, ele pode encontrar seu caminho através da interface e para dentro do molde. Como o alumínio fundido é sensível ao hidrogênio, um requisito para a resina é que ela não emita gases que contenham hidrogênio. Como o vapor de água é liberado ao utilizar moldes de areia verde, o método de pacote de macho é usado para o alumínio fundido como precaução.

Além das exigências técnicas, tais como resistência suficiente do molde e resistência contra a abrasão, as exigências de proteção ambiental estão cada vez mais se colocando em primeiro plano. As emissões de gases deveriam ser mais favoráveis ao meio ambiente em termos de sua composição, quantidade e odor. A ASK Chemicals definiu os marcos do desenvolvimento de resinas altamente reativas e inorgânicas.

Como os exemplos a seguir demonstram, os primeiros parâmetros aproximados para o processo de fundição emergem das características listadas acima, ou seja, design, capacidade cúbica, número de cilindros, número de linhas de cilindros, ângulo das linhas de cilindros, "convés aberto" ou "convés fechado". Motores em V com um ângulo de linha de cilindros de 90° sempre requerem o método de pacote de machos. O problema de rebaixos que de outra forma ocorrem é resolvido por um "macho principal" no pacote de machos, que representa a lacuna entre as linhas de cilindros. Em contraste, um motor em V de 6 cilindros com um ângulo extremamente estreito entre as linhas de cilindros pode ser fundido horizontalmente usando ferro fundido e sem um pacote de machos, uma vez que este projeto não envolve cavidades entre as linhas de cilindros. A relação entre a capacidade cúbica e o tamanho do molde deve servir como o terceiro exemplo: caixas de molde e ferramentais adequadamente grandes são necessárias para produzir machos para um bloco de caminhão com motor em V com capacidade de 12 litros cúbicos. Quatro blocos para um motor de carro de passageiros de 1,4 litros poderiam ser fundidos simultaneamente na mesma caixa de molde.

Os parâmetros aproximados do processo de fundição incluem a posição de fundição. Se os cilindros estiverem em grande parte paralelos à divisória horizontal do molde, a posição de fundição é referida como horizontal. Se os cilindros estiverem em um ângulo de 90° em relação à divisória horizontal do molde, a posição de fundição é referida como vertical. Uma posição de fundição vertical só é possível com o método de pacote de machos.

 

Requisitos para o material

O bloco sofre uma carga local complexa que acontece de forma confiável durante várias centenas de milhares de quilómetros e muitos anos. Isto resulta da complexidade de cargas que atuam sobre o componente e que são compostas por forças dos gases do ciclo de combustão, de forças de reação no ciclo de potência e de torções e juntas roscadas. Existem também as forças interiores da expansão térmica, as tensões internas, a força do peso da própria massa do componente, a força do peso dos componentes aparafusados, como o virabrequim e o cabeçote do cilindro, e as forças da expansão térmica das peças complementares que são transmitidas através da união roscada.

A maior tensão térmica é normalmente encontrada na área da tampa traseira. O fato de água e lubrificantes serem encaminhados através do componente coloca a exigência de estanqueidade à pressão, limpeza e permeabilidade dos conduítes de transporte de líquidos no bloco. Como consequência da tarefa de orientação do pistão, o cilindro deve fazer parte de um sistema de tribologia. O sistema cilindro/pistão/anel. A película de superfície do cilindro deve, portanto, exibir propriedades tribológicas apropriadas. A baixa perda por atrito, desgaste e consumo de lubrificante são os objetivos.

 Os requisitos para o material são derivados da aplicação de cargas, das operações de produção do fabricante do automóvel e dos aspectos ambientais:

  • CO2 equivalente da produção de material - baixo
  • Usinabilidade - alta
  • Resistência à fadiga sob tensão de flexão invertida - elevada
  • Resistência à fadiga sob tensões alternadas à temperatura de funcionamento - elevada
  • Densidade - baixa
  • Estanqueidade de pressão - elevada
  • Resistência à compressão - alta
  • Amortecimento das vibrações naturais - elevado
  • Módulo de elasticidade - alto
  • Pressão superficial tolerável - alta
  • Custo global do processo de produção - baixo
  • Resistência à Corrosão - alta
  • Resistência à fluência - elevada
  • Tendência de rechupe e tendência para a inclusão - baixa
  • Reciclabilidade - alta
  • Coeficiente de expansão térmica - tão semelhante quanto possível ao material do virabrequim
  • Resistência ao desgaste - elevada
  • Condutividade térmica - alta

 

Não há material que cumpra 100% dos requisitos acima mencionados. As ligas de alumínio e as ligas de ferro fundido estão, portanto, competindo entre si, e esta concorrência é aumentada devido às sempre novas abordagens no desenvolvimento do design leve.

Defeitos típicos de fundição e ação corretiva adequada

Aqui estão alguns exemplos característicos para destacar isto:

Problemas na área da crista do cilindro podem ocorrer ao projetar um bloco para conseguir espaços menores entre os cilindros. Cavidades indesejadas são expostas após a câmara do cilindro ter sido processado. No caso de fundição horizontal, isto ocorre predominantemente no nível da marcação do macho da camisa de água. Em combinação com um fluxo desfavorável do metal líquido, a marcação do macho provavelmente atua como um auxiliar de formação e obstáculo para a bolha de gás, que é feita de gases do macho ou ar aprisionado do enchimento do molde. Uma solução seria definir um conceito prematuro em relação à posição e ao tipo de marcação do macho já na fase de desenvolvimento do produto. A questão é se é possível mover a marcação do macho para baixo no cilindro, de modo que a posição do defeito fique abaixo da zona crítica de deslocamento do pistão. Uma outra questão seria se seria possível introduzir o método de pacote de machos em uma posição de fundição vertical durante a fase de desenvolvimento do componente. As marcações do macho da camisa de água não são necessárias para esta posição de fundição. Uma outra vantagem do método de pacote de machos é que ele pode ser facilmente rastreado devido à etiquetagem automática do macho, que é transmitida à peça fundida. O monitoramento do processo e a análise das causas do defeito de fundição podem ser feitos a um nível mais profundo e amplo nos parâmetros de produção do macho. Entretanto, é necessário verificar se a infiltração descontrolada está contida na área do ferro fundido no método de pacote de machos.

Os defeitos típicos de fundição encontrados nos dutos são:

  • O duto não é suficientemente permeável
  • O conteúdo de impurezas residual é demasiado elevado
  • O oleoduto e a camisa de água não são suficientemente estanques à pressão
     

O indesejável desvio de forma sob a forma de veiamentos nos oleodutos pode variar desde uma permeabilidade limitada que já não é tolerável até ao fechamento completo do duto. Os oleodutos torcidos em modos cada vez mais complexos são a tendência em downsizing, de modo que é cada vez mais difícil verificar e retrabalhar os dutos na rebarbação da fundição. A ação corretiva adequada inclui a mudança das características do grão para o macho, aditivos e também tintas adaptadas.

O processo de fundição não é concluído após a solidificação. O processo de desmoldagem e a remoção do macho não devem ser subestimados. Por exemplo, podem ser necessárias aberturas para remover a areia no caso de camisas de água muito finas e profundas. Elas são fechadas com tampas de chapa em uma etapa posterior da produção, após o processamento mecânico. O tamanho das aberturas na tampa traseira também deve ser questionado quando o conceito for elaborado, a fim de levar em conta a capacidade de remoção do macho no projeto. A capacidade de remoção do macho, em particular, é uma importante área de desenvolvimento no sistema de resinas. Isto é acompanhado pela conformidade com a quantidade de impurezas residual. A quantidade de impureza residual refere-se à percentagem de material do processo de moldagem que permanece nas cavidades do corpo metálico depois de ter passado por todo o processo. Partículas soltas de impureza residual podem encontrar seu caminho para o óleo enquanto o motor está em funcionamento e, no pior dos casos, partículas muito grandes podem reduzir a vida útil do rolamento. 0,5 g são, portanto, o máximo permitido para um bloco de um carro de passageiros de 2,0 litros, como precaução. A ASK Chemicals contribui na forma de tintas com uma formação reduzida de compostos que são desenvolvidos em conjunto com a respectiva fundição.

 A análise das causas é importante para definir a ação corretiva. Para isso, a ASK Chemicals tem seu próprio software de simulação interno como ferramenta. A simulação de solidificação está disponível para a análise das causas dos rechupes. Mas e os defeitos de fundição causados por bolhas de gás? A ASK Chemicals está realizando um trabalho pioneiro intensivo sobre este assunto. O marco aqui é introduzir um software de simulação apropriado que fornece orientação para questões relativas à quantidade de gás que se forma localmente e à pressão de gás local na interface. Além disso, o desenvolvimento de sistemas de resinas altamente reativos deve ser mencionado. Devido à alta reatividade, a quantidade necessária de resinas diminui, e um menor conteúdo de resinas significa menos pressão de gás na interface entre o molde e o metal líquido. Uma ajuda à decisão fornecida pelas ferramentas de simulação e as condições favoráveis de um sistema de resina moderno toma o lugar da coincidência. Se estas forem aplicadas no início da fase de desenvolvimento do produto, elas podem ajudar a evitar que o defeito seja transportado para as fases posteriores. Quanto mais tarde o defeito for eliminado, maior é o dano econômico que é causado.

 A topologia superficial da câmara de cilindro, roscas, dutos de óleo muito finos e áreas com tolerâncias dimensionais muito pequenas não podem ser alcançados em uma única etapa de produção na fundição. Para isso é utilizado o processamento mecânico, mas a fundição mais próxima possível de sua forma final é um requisito crucial para este tipo de fundição, para que os custos de processamento possam ser mantidos a um mínimo. As tolerâncias padronizadas de fundição, que também dependem do método de fundição, formam a base do requisito para o molde, o macho, o material e o tipo de fundição

 A gestão da qualidade da fundição fornece dados sobre defeitos de fundição internos, detectados externamente, óbvios e ocultos para o bloco. Em geral, cavidades indesejadas e desvios de forma indesejados que impedem o funcionamento confiável do componente são considerados como defeitos. O foco no método de fundição de areia está nos grupos funcionais da câmara do cilindro, do duto de óleo e da camisa de água. A redução de material resultante do downsizing e a redução do espaço ocupado pelo motor resultam requisitos elevados para as fundições. Duas explicações são frequentemente utilizadas para analisar as causas de cavidades indesejadas, e estas explicações são aqui resumidas em termos fortemente simplificados. Primeiro, há a cavidade indesejada causada pela contração, o rechupe, que é o resultado do déficit de volume que ocorre durante a transição do estado líquido para o estado sólido de um metal. A segunda cavidade indesejada é a bolha de gás que fica presa durante a solidificação e rodeada pelo metal. O molde aquece devido ao resfriamento do metal líquido. A resina contida no molde é aquecida e emite gás que encontra seu caminho através do corpo poroso do material do molde até a interface entre o molde e o metal líquido. Se a pressão dos gases for suficientemente alta, eles podem encontrar seu caminho para o metal líquido e se transformar em uma bolha de gás. Na prática, há muitas formas de transição entre rechupes e bolhas de gás.