Fundição do cabeçote de cilindros

O cabeçote do cilindro de um motor determina as propriedades do motor em termos de comportamento operacional, por exemplo, potência de saída, torque e comportamento de emissão de gases de exaustão, consumo de combustível e acústica, como quase nenhum outro conjunto de componentes do motor. Ele contém os elementos-chave para controlar mecanicamente a troca ou combustão do gás. O controle das válvulas é de particular importância aqui.

 O método de fundição para o cabeçote de cilindro deve ser determinado com antecedência. Recomenda-se levar em consideração a experiência em fundição e modelagem ao criar o projeto básico do cabeçote. As geometrias desejadas não podem ser implementadas com todos os métodos de fundição. A forma e a posição dos dutos de admissão e escape, assim como a forma da câmara de combustão em particular, determinam a geometria geral do cabeçote de cilindro. Além disso, o diâmetro do cilindro e a distância entre os cilindros têm grande influência sobre a geometria básica.

 Como a combustão do combustível causa altas temperaturas - também no cabeçote de cilindro - um conceito de resfriamento apropriado é de grande importância. O líquido refrigerante é geralmente introduzido na parte inferior do cabeçote através da junta com o bloco do motor e através de múltiplas aberturas. A partir de todos os sistemas de refrigeração possíveis (por exemplo, refrigeração de fluxo cruzado, refrigeração de fluxo longitudinal ou uma combinação), o sistema de refrigeração ideal é determinado através de modelos de simulação apropriados, e possíveis áreas críticas são detectadas em uma fase inicial.
Os dutos para o sistema de arrefecimento por água e o fornecimento de óleo são muitas vezes muito finos e representam o maior desafio para o fundidor na fabricação de cabeçotes de cilindros hoje em dia, uma vez que mesmo pequenas alterações no processo podem levar ao retrabalho ou à rejeição do componente.

 

Os métodos de fundição

Os cabeçotes de cilíndros para motores de combustão colocam altas exigências sobre as propriedades mecânicas dos materiais acima de 150°C. A complexidade da forma e também o nível de tensão que ocorre durante a operação aumentaram consideravelmente, em particular nos novos cabeçotes desenvolvidos para motores diesel de injeção direta.

Diferentes materiais são utilizados para produzir cabeçotes de cilindros dependendo do perfil de requisitos dos motores e do método de fundição utilizado. Além do alumínio, também é possível utilizar materiais de ferro fundido para motores de grande porte e veículos comerciais. Com poucas excepções, o alumínio é o material utilizado na área dos motores de automóveis de passageiros. No caso de pressões de ignição → 150 bar, são necessárias ligas específicas que devem satisfazer os mais altos requisitos em termos de

  • Alta resistência à tração e alta resistência à deformação em temperaturas entre a ambiente e 250°C  
  • Alta condutividade térmica  
  • Baixa porosidade  
  • Alta ductilidade e elasticidade com alta resistência ao choque térmico  
  • Boas propriedades de fundição e baixa susceptibilidade a trincas quentes  
  • Ferramentas de simulação, por exemplo, para preenchimento de molde e comportamento de solidificação durante o processo de fundição, já são usadas intensivamente durante a fase de planejamento de um novo componente, a fim de encontrar um ponto ótimo entre os diferentes parâmetros alvo.

Atualmente, os seguintes métodos de fundição estão amplamente difundidos:  

  • Fundição em areia  
  • Fundição em moldes permanentes  
  • Método Lost Foam 
  • Método de fundição sob pressão


Na fundição em areia, tanto o molde como o macho são fabricados com base em areias de sílica ou areias especiais. Em geral, o molde é fabricado em areia verde, enquanto os machos são fabricados com sistema de resinas orgânicas.

Geometrias complicadas de componentes - mesmo com rebaixos - podem ser obtidas facilmente usando materiais de molde colados quimicamente no método de pacote de macho. Uma outra vantagem dos métodos é que a produção econômica é possível mesmo no caso de baixas quantidades e que as mudanças podem ser implementadas relativamente rápidas.  

A vantagem do método de pacote de machos, onde todos os contornos dos componentes são representados por machos de areia, é que a temperatura das peças fundidas geralmente não cai abaixo de 500°C entre a fundição e a solidificação. Isso resulta em uma fundição com o maior nível de tensão possível, o que resulta em alta precisão dimensional.

O método de fundição em areia a baixa pressão é recomendado para a produção de protótipos e pequenas séries. O metal líquido entra no molde através de um tubo vertical e é exposto a uma pressão de aproximadamente 0,1 a 0,5 bar. Isto resulta numa estrutura de muito alta qualidade, uma vez que a pressão também é mantida durante a solidificação.

Os moldes permanentes feitos de ferro fundido cinzento ou aços para trabalho a quente são utilizados para produzir ligas de metal leve. Tal como na fundição em areia, os machos são colocados no molde de fundição. Na fundição de moldes permanentes, é feita uma distinção entre fundição por gravidade e fundição sob baixa pressão.

O método lost foam é basicamente uma forma especial de fundição em areia. As várias camadas do cabeçote de cilindro são formadas através de espuma de poliestireno e depois coladas. Neste método, dois modelos de cabeçote de cilindro são unidos com o sistema de canais e massalotes para formar o que é conhecido como um cacho. Este conjunto de modelos é então mergulhado em revestimentos cerâmicos repetidamente e seco por meio do fluxo de ar. O cacho é fundido após ser colocado na caixa metálica e rodeado por areia solta. Durante o enchimento do molde, o poliestireno se decompõe e transforma-se em gás. Uma vantagem deste método é que furos com uma espessura de parede de até 4 mm também são fundidos no processo. Além disso, é possível criar dutos de óleo de qualquer forma e alcançar tolerâncias significativamente mais precisas na câmara de combustão, enquanto o esforço de usinagem necessário é reduzido ao mínimo.

No método de fundição sob pressão são utilizados moldes permanentes feitos de aço tratado termicamente a quente. Os moldes devem ser tratados com um agente desmoldante antes de cada processo de "disparo".

 

Perspectivas da tecnologia de cabeçote de cilindro

O desenvolvimento adicional da tecnologia de cabeçote de cilindros irá no sentido de um design leve, materiais mais resistentes e processos de produção mais eficientes em termos de custo. A utilização da tecnologia de múltiplas válvulas, também para motores diesel, permitirá obter trocas de gás mais otimizadas e uma maior potência específica do cilindro. As propriedades dos motores também são continuamente refinadas em relação ao consumo e comportamento favorável das emissões. Enfrentar constantemente estes novos requisitos é um grande desafio para os projetistas.

 

Soluções de sistema para a fundição do cabeçote de cilindros

Além da geometria exata do componente, os possíveis métodos de fundição e moldagem também devem ser levados em conta antecipadamente, a fim de obter uma peça fundida ideal também em condições de produção em série. Além de várias mudanças na construção, experiências iniciais com relação às futuras propriedades dos componentes, refugos e retrabalho também são obtidas durante a produção piloto. É extremamente importante ter os refugos e, finalmente, todos os fatores que restringem a produção sob controle, o mais tardar até o início da produção em série. Esta é a única maneira de se conseguir alta produtividade e baixos custos ao mesmo tempo, para se poder manter o preço especificado para o componente.

 Como já descrito em detalhe acima, o cabeçote de cilindro é o componente que determina essencialmente as propriedades do motor. O downsizing garante a diminuição constante do peso do cabeçote - tanto em ferro como em fundição de alumínio. Ao mesmo tempo, os requisitos para o componente estão aumentando continuamente. A estreita cooperação entre o modelista, o fundidor e o projetista no início de um novo desenvolvimento é a única maneira de contrariar este conflito de objetivos.

 Os reagentes utilizados no processo também estão se tornando cada vez mais importantes para garantir a confiabilidade do componente ao longo de todo o ciclo de vida de um veículo. Atualmente, o software para simulação do processo de enchimento do molde e também a solidificação se tornou o estado da arte. Além de processos claramente definidos, a fusão e o tratamento do metal fundido requerem os materiais de carga e os agentes de tratamento mais limpos.

Na produção de moldes e especialmente na produção de machos, é preciso garantir, acima de tudo, que os materiais de base de moldagem e resinas utilizados garantam uma boa consistência dimensional dos machos ou dos pacotes de machos. Na fundição de ferro, é possível que aditivos e tintas refratárias também sejam utilizados. O fato de que as espessuras de parede dos machos da camisa de água e também dos machos dos dutos de óleo em particular foram reduzidas para 4 mm requer que as resinas dos machos de areia garantam altas resistências iniciais para garantir que o macho possa ser manuseado sem trincas.

A resina utilizada deve ter alta resistência a quente durante os processos de fundição e solidificação, para que o risco de trinca do macho e a falta de estabilidade dimensional possam ser descartados, mesmo na condição altamente crítica dos machos de espessuras finas. No entanto, a resina deve permitir um ótimo desempenho de colapso durante o processo de remoção do macho, ao mesmo tempo. Este ato de equilíbrio torna-se particularmente claro quando se fundem ligas de alumínio. Os defeitos de bolha e microporosidade no componente causam vazamentos e geralmente levam a refugos. A fim de manter este risco ao mínimo, é importante investir no enchimento do molde que seja o mais calmo possível. Além disso, é importante levar em conta a extração de gás do macho e implementá-la de forma adequada. Em geral, a resina deve ser projetada de forma que o gás e outras emissões sejam mantidos a um nível mínimo. A emissão de gás da resina durante a fundição deve ser coordenada ao metal fundido e ao intervalo de solidificação. O mesmo se aplica aos aditivos. Se forem utilizadas tintas, a permeabilidade ao gás do produto também deve ser adequada para o processo aqui.

Além disso, pode ocorrer a formação de cascas na fundição de ferro. O comportamento de expansão da areia dos materiais da base do molde, o comportamento de emissão de gás das resinas, a permeabilidade de gás da tinta e o nível de resistência da mistura do material do molde têm grande influência aqui, mas só podem compensar defeitos no processo de preenchimento do molde e um aquecimento correspondente da seção do molde em uma extensão limitada. Um grande desafio na fundição de ferro é evitar a sinterização e/ou penetração e veiamentos. A sinterização e a penetração podem ser evitadas principalmente pela seleção da tinta correta, que deve ser orientado tanto para o material do molde quanto para o metal fundido, a fim de evitar reações químicas desfavoráveis.

 O veiamento, especialmente em machos de camisas de água e de oleodutos, é um problema constante na prática da fundição de ferro. Na maioria dos casos, medidas corretivas e preventivas contra a ocorrência deste defeito podem ser tomadas através da seleção de um material de base de moldagem adequado ou através do uso direcionado de aditivos de areia. Superfícies rugosas nos dutos de admissão e escape podem ser evitadas pela distribuição granulométrica do material de moldagem utilizado, ou pela utilização de uma tinta que sele os espaços entre os poros dos grãos de areia.

 Além de resolver problemas puramente técnicos, os materiais de carga utilizados devem ser o mais ecológicos possível. Hoje em dia, os funcionários, os moradores de locais ao redor da fundição e também as autoridades estão muito interessados em manter as emissões nocivas, odor, fumaça e condensado a um mínimo e nessas emissões cumprir com os requisitos de segurança do trabalho durante a produção..