BR102016021817A2 - método para controle térmico de componentes fundidos no local durante fabricação - Google Patents

Abstract

método para controle térmico de componentes fundidos no local durante fabricação. método para a formação de um produto tendo componente fundido no local que fornece uma barreira isolante de areia solidificada formada próxima ao diâmetro interno do componente fundido no local. o centro da areia solidificada é oco. antes de verter o metal derretido no sistema de canal de alimentação/alimentador primário que alimenta a porção do molde que irá criar a parte real, o material derretido é vertido na porção oca da areia solidificada através de um sistema de canal de alimentação/alimentador separado. este metal derretido propicia energia necessária para aquecer a peça fundida no local a uma temperatura aceitável. a temperatura pode ser controlada pelo formato, a espessura e o material do membro isolante. este perfil de tempo/temperatura possibilita a criação de um produto fundido final que demonstra boas propriedades de qualidade na interface molde/inserto. o método do conceito inventivo divulgado possui o benefício adicional de não alterar a própria peça resultante.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para: “MÉTODO PARA CONTROLE TÉRMICO DE COMPONENTES FUNDIDOS NO LOCAL DURANTE FABRICAÇÃO”.

[001] CAMPO TÉCNICO

[002] O conceito inventivo divulgado refere-se genericamente a um método de fabricação de um artigo de metal derretido tendo um inserto fundido no local. Mais particularmente, o conceito inventivo divulgado refere-se a um método de fabricação um artigo tal como um bloco de motor tendo um inserto fundido no local mediante a formação de uma barreira isolante oca adjacente à peça fundida no local e o vazamento do metal derretido na parte oca da barreira isolante para aquecer a peça fundida no local antes da formação do bloco.

[003] FUNDAMENTO DA INVENÇÃO

[004] A tarefa de confeccionar componentes fundidos no local durante a produção de peças de metal tem desafiado os fabricantes desde os primórdios da fabricação automotiva. Por exemplo, este desafio é particularmente grande na fabricação de blocos de motor tendo camisas de cilindro fundidas no local. Ao longo do tempo, os fabricantes descobriram que o pré-aquecimento do componente fundido no local resultava em um produto com características superiores.

[005] As soluções anteriores para pré-aquecer componentes fundidos no local incluem tanto aquecimento por indução (quando fabricado em grandes volumes) e a concepção de um pacote de molde em que o material derretido fica em contato direto com a camisa de cilindro. Um sistema duplo de canal de alimentação (alimentador) é formado no conjunto de molde de fundição. Durante o vazamento primário, o metal derretido escoa próximo ao componente fundido no local em uma tentativa de aquecê-lo. Deste modo, o metal derretido usado para aquecer as camisas fica em contato direto com o inserto.

[006] No entanto, quando usado em contato direto com o inserto de camisa, existe pouco controle do tempo de aquecimento, da posição do metal derretido, ou do perfil de temperatura do inserto. Particularmente, o mesmo metal que está tentando aquecer o componente é também o metal que o fabricante deseja que fique na temperatura de vazamento de modo que uma fundição de qualidade seja realizada. No entanto, o ato de aquecer o componente fundido no local resfria o metal derretido e pode solidifica-lo prematuramente.

[007] Adicionalmente, esse material se solidifica e adere ao inserto exigindo processos de usinagem adicionais para remoção. Dependendo do formato do inserto, pode ser que não seja possível remover completamente o material de aquecimento do inserto.

[008] Em resumo, encontrar um método econômico e prático de pré-aquecer insertos fundidos no local durante fabricação é um problema que permaneceu sem solução até a presente invenção.

[009] SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[010] O método do conceito inventivo divulgado para a formação de um produto tendo componentes fundidos no local supera os desafios confrontados pelos métodos conhecidos. De acordo com o método divulgado aqui, uma barreira isolante de areia solidificada é formada próxima ao componente fundido no local. A barreira de areia solidificada pode ser vertida em uma cavidade interna, no caso, por exemplo, de um cilindro, ou pode ser vertido em uma cavidade que circunda o componente fundido no local, no caso, por exemplo, de um eixo de manivelas. O centro da areia solidificada é oco. Antes de verter o metal derretido no sistema de canal de alimentação/alimentador primário que alimenta a porção do molde que irá criar a parte real, o material derretido é vertido na porção oca da areia solidificada através de um sistema de canal de alimentador/alimentador separado. Este metal derretido propicia energia necessária para aquecer a peça fundida no local a uma temperatura aceitável. A temperatura pode ser controlada pelo formato, espessura e material do membro isolante. Este perfil de tempo/temperatura possibilita a criação de um produto fundido final que demonstra boas propriedades de qualidade na interface molde/ínserto interface. O método do conceito inventivo divulgado possui o benefício adicional de não alterar a própria parte resultante.

[011] Mediante o uso da barreira de isolamento de areia solidificada, o material de aquecimento não é nem afixado nem faz parte da peça fundida final. Após o tempo preciso ter transcorrido para elevar o componente fundido no local à temperatura prescrita, o metal derretido é vertido no sistema de canal de alimentação/alimentador primário para alimentar a peça real que inclui o componente fundido no local conforme formado pelo molde.

[012] O método do conceito inventivo divulgado é flexível e altamente adaptável a uma ampla variedade de produtos fundidos. O método divulgado aqui é compatível com aplicações de baixo volume ou de alta complexidade, uma vez que ferramentaria exclusiva para aquecimento por indução não é exigida. Embora o método divulgado aqui seja ideal para aplicações por “lotes”, ele pode ser usado tão efetivamente para aplicações de produção de grande volume. Adicionalmente, se for utilizado adicionalmente não existe essencialmente custo adicional no que diz respeito à ferramentaria.

[013] As vantagens acima e outras vantagens e funcionalidades ficarão prontamente aparentes a partir da descrição detalhada a seguir das concretizações preferidas quando tomadas em relação com os desenhos em anexos.

[014] BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[015] Para um entendimento mais completo desta invenção, deve ser feita referência agora às concretizações ilustradas mais detalhadamente nos desenhos anexos e descritos abaixo por intermédio de exemplos da invenção, em que: [016] A fig. 1 é uma vista em perspectiva de um bloco de cilindro tendo pós-produção de camisas fundidas no local.

[017] A fig. 2 é uma seção cruzada de um bloco de cilindro tendo camisas fundidas no local após a areia ter sido inserida e escavada de tal modo que permaneça uma câmara.

[018] A fig. 3 ilustra uma vista em perspectiva ilustrando a metade inferior do pacote de molde com o material isolante formado em posição ao redor da camisa de cilindros.

[019] A fig. 4 é semelhante à figura 2, mas o vazamento de pré-aquecimento de um metal derretido foi feito nas cavidades formadas na areia.

[020] A fig. 5 ilustra uma vista em perspectiva do pacote de molde tendo sido fechado com a parte superior do pacote de molde no lugar em preparação para vazamento do restante do bloco de motor.

[021] A fig. 6 ilustra uma vista semelhante àquela da figura 5, mas mostrando o restante do metal derretido tendo sido vertido para formar o bloco e encapsular as camisas fundidas no local.

[022] A fig. 7 é semelhante à figura 3, mas ilustrando o restante do metal derretido tendo sido vertido de acordo com a etapa mostrada na figura 6 para criar o bloco de cilindro.

[023] A fig. 8 é uma vista em perspectiva de uma porção do bloco de cilindro com o molde de areia tendo sido removido, juntamente com as comportas e alimentadores.

[024] DESCRIÇÃO DETALHADA DA CONCRETIZAÇÃO PREFERIDA

[025] Nas figuras a seguir, os mesmos numerais de referência serão usados para os mesmos componentes. Na descrição a seguir, vários parâmetros operacionais e componentes estão descritos para diferentes concretizações construídas. Estes parâmetros específicos e componentes estão incluídos como exemplos e não se destinam a serem limitados.

[026] O método do conceito inventivo divulgado para formar um artigo fundido tendo componentes fundidos no local propicia uma solução para problemas associados com técnicas conhecidas atualmente. Particularmente, o método divulgado aqui usa metal derretido que é calorifugado a partir dos insertos a serem fundidos no local por intermédio de uma barreira isolante “sintonizável”. Esta disposição cria um pré-aquecimento controlado da peça fundida no local. O método do conceito inventivo divulgado resulta em perfis de tempo/temperatura sintonizados e controlados e perfis de tempo/posição/temperatura controlados.

[027] O método do conceito inventivo divulgado pode ser usado na produção de qualquer peça fundida em que um componente fundido no local está presente, O método oferece assim vantagens significativas na indústria automotiva. Portanto, a discussão a seguir e as figuras anexas se referem à formação de um bloco de motor para um motor de combustão interna. No entanto, é para ficar compreendido que a concretização específica divulgada é uma sugestão e não se destina a ser limitativa. Quanto ao bloco de motor por si mesmo divulgado nos desenhos anexos e discutido em conjunto com eles, o bloco de motor ilustrado está mostrado nas figuras apenas para fins de sugestão, pois a configuração global pode ser alterada em relação àquela ilustrada.

[028] O método de acordo com o conceito inventivo divulgado fornece as seguintes etapas gerais. Primeiro, um pacote de molde incluindo uma porção inferior e um pacote superior tendo um canal de alimentação de peça para a peça a ser fundida e um canal de alimentação de cavidade para o metal derretido pré-aquecido ser formado. Segundo, o componente fundido no local, tal como uma camisa de cilindro de ferro fundido, é, posicionada na porção inferior do pacote de molde. Terceiro, um núcleo formado de um material isolante é posicionado substancialmente ao redor do componente fundido no local. O núcleo pode ser feito de areia solidificada e possui uma cavidade receptora de metal derretido formada nele. Quarto, uma quantidade específica de um metal derretido tendo uma temperatura específica é introduzida na cavidade formada dentro do material isolante através do canal de alimentação secundário. A energia de calor do material derretido percorre a areia solidificada e para o componente fundido no local. Quinto, a porção superior do pacote de molde é colocada sobre a porção inferior. Sexto, uma vez que o componente fundido no local está a uma temperatura apropriada, o resto do metal derretido é vertido para criar a peça. Sétimo, o molde é aberto e a peça fundida é removida do molde. Oitavo, o metal dentro do material isolante e o próprio material isolante é removido da peça fundida. A disposição de molde e os pormenores das etapas gerais estão expressas doravante.

[029] Referindo-se à fig. 1, um bloco de cilindro tendo camisas fundidas no local produzidas de acordo com o método do conceito inventivo divulgado está mostrado. O bloco de cilindro, em geral ilustrado com o número de referência 10, inclui um bloco 12 tendo cilindros 14, 14’ e 14” formados nele. Cada um dos cilindros 14, 14’ e 14” inclui uma camisa fundida no local 16, 16’ e 16” respectivamente. Um número semelhante de cilindros (não mostrados) estão formados no lado oposto do bloco 12. Embora um motor V-6 convencional esteja ilustrado, como observado acima, o método do conceito inventivo divulgado pode ser aplicado a um bloco com qualquer número de cilindros, em qualquer número de configurações e em qualquer disposição.

[030] Referindo-se à fig. 2, e como observado acima, um pacote de molde 20 está formado para a peça a ser fundida. O pacote de molde 20 inclui uma porção inferior 21 e uma porção superior 22. Formada entre a porção inferior 21 e a porção superior 22 encontra-se uma cavidade de peça 24. Um canal de alimentação de peça (não mostrado) está conectado fluidamente com a cavidade de peça 24. Dentro do pacote de molde 20 foram encaixados componentes fundidos no local. Os componentes fundidos no local mostrados na figura 2 são camisa de cilindros 25 e 26.

[031] Substancialmente ao redor de cada camisa de cilindro está formado um núcleo isolante de um material isolante. Preferencialmente, mas não exclusivamente, o material isolante pode ser areia impressa ou pode ser uma areia vazável que é solidificada uma vez que é vertida para assumir um formato específico. Como mostrado na figura 3, uma primeira batería de cilindros compreendendo cilindros 27, 27’ e 27” são isolados usando uma parede isolante 28. Uma segunda batería de cilindros compreendendo cilindros 30, 30’ e 30” são isolados usando uma parede isolante 32.

[032] Com a porção superior 22 do pacote de molde 20 em posição na porção inferior 21 do pacote de molde 20 a disposição da barreira isolante 28 ao redor da camisa de cilindro 25 e a disposição da barreira isolante 32 ao redor da camisa de cilindro 26 estão ilustradas na figura 2. Como ilustrado nessa figura, uma cavidade receptora de metal derretido ou câmara está formada dentro de cada núcleo. Particularmente, uma cavidade receptora de metal derretido 34 está formada dentro do núcleo isolante 32. É para ficar compreendido que a espessura da parede do núcleo isolante 32, bem como o formato da cavidade 34 formada no núcleo podem ambos variar conforme necessário para ajustar o controle de temperatura verdadeiro. Pelo menos um canal de alimentação da cavidade receptora de metal (não mostrado) está formado integrado com o molde.

[033] A areia isolante é pré-formada por métodos, tais como, mas não limitados a impressão 3D ou através do uso de ferramentaria convencional antes da montagem no molde. Uma vez que a areia isolante está em sua posição desejada, uma primeira porção de um metal derretido 36 é vertido nas cavidades formadas na areia, incluindo a cavidade receptora de metal derretido ilustrada 34. Esta etapa do procedimento está ilustrada na figura 4. O metal derretido 36 é vertido na cavidade receptora de metal derretido 34 por intermédio do canal de alimentação da cavidade receptora de metal. A energia de calor do metal derretido 36 percorre a parede do núcleo isolante 32 e para dentro da camisa de cilindro 26. O metal derretido 36 pode ser selecionado de quaisquer dos diversos metais, incluindo, mas não limitado ao alumínio.

[034] Com a porção superior 22 do pacote de molde 20 em posição na porção inferior 21 do pacote de molde 20, como ilustrado na figura 5, o metal derretido 36 pode ser vertido na câmara de aquecimento. Como uma alternativa, o alumínio pré-aquecido pode ser vertido nas câmaras para pré-aquecer as camisas de ferro ineridas antes de a porção superior 22 ser colocada em posição na porção inferior 21. Seguinte ao vazamento do alumínio pré-aquecido, a porção superior 22 é encaixada na posição para formar o pacote de molde completo 20.

[035] Após o pacote de molde completo 20 ser formado e depois que as camisas atingem uma temperatura desejável pela presença do metal derretido 36, o tempo decorrido estando geralmente na faixa de entre 10 e 20 minutos, metal derretido adicional 40 é vertido no molde através dos canais de alimentação formados na porção superior 22 do pacote de molde 20. Esta etapa está ilustrada na figura 6 que mostra uma vista em perspectiva do pacote de molde 20 com o metal derretido adicional 40 vertido na posição. A figura 7 ilustra o metal derretido 40 enchendo os espaços livres restantes ao redor da camisa de cilindros 25 e 26 por meio do qual as camisas são encapsuladas. Neste estágio, o bloco de motor 12 é formado do metal derretido 40.

[036] Na figura 8, uma porção do bloco de cilindro resultante 12 é ilustrado. Nesta vista, o molde de areia foi removido do bloco fundido 12. Outros componentes de fundição, tais como comportas e alimentadores (ambos não mostrados), também foram removidos. O bloco fundido resultante mostra que a interface da fundição de alumínio para as camisas de cilindro de ferro fundido é livre de espaços vazios e demonstra propriedades de aderência excepcionais. Este resultado se compara muito favoravelmente aos resultados obtidos usando técnicas anteriores.

[037] O método do conceito inventivo divulgado pode ser refinado para proporcionar resultados satisfatórios através de uma ampla gama de produtos fundidos que requerem componentes fundidos no local. Para reduzir ou eliminar sobreaquecimento durante o processo de solidificação da peça fundida, certos ajustes podem ser feitos. Por exemplo, a experimentação mostrou que as camisas fundidas no local dos cilindros de centro sobreaqueceram comparadas com as camisas fundidas no local adjacentes. Isto ocorreu porque as camisas fundidas no local de centro são circundadas em dois lados pelas camisas fundidas no local que estavam sendo aquecidas simultaneamente. Aumentando a espessura das paredes de barreira das camisas de cilindro de centro, a quantidade de energia transferida para as camisas proveniente do alumínio derretido usado para aquecê-las foi reduzida. Como resultado final, todas as camisas fundidas no local foram capazes de ser trazidas para a temperatura apropriada e consistente antes do vazamento e nenhum sobreaquecimento durante o processo de solidificação da peça fundida foi detectado.

[038] O método do conceito inventivo divulgado pode ser usado na fabricação de qualquer produto fundido em que é usado um componente fundido no local. No ambiente automotivo, e como observado acima, o método possui aplicação particular na formação de blocos de motores. No entanto, o método também pode ser usado na produção de hastes de aço em suportes de transmissão, volantes bimetálicos, e discos de frenagem.

[039] O método divulgado aqui possui potencial de economia de custo significativo. Na indústria automotiva, por exemplo, muitos fabricantes utilizam blocos de camisa fundida no local e outras peças de fundição com componentes fundidos no local de metal dissimilares. A prototipagem destes componentes, e mesmo altas aplicações de produção, se beneficiariam enormemente deste método.

[040] O conceito inventivo divulgado de pré-aquecer um componente fundido no local durante o processo de fabricação oferece diversas vantagens sobre os métodos conhecidos. Uma destas vantagens do novo método é que o aquecimento do componente fundido no local e as propriedades do metal derretido são completamente separados. De fato, a temperatura dos componentes fundidos no local pode ser controlada simplesmente pela quantidade de tempo permitido entre o vazamento do metal derretido “de aquecimento” e o vazamento do metal derretido “primário”. Assim, o conceito inventivo divulgado supera os problemas associados com os métodos conhecidos de formação de produtos tendo componentes fundidos no local de maneira prática e com bom custo-benefício.

[041] Uma pessoa versada na técnica irá prontamente reconhecer a partir desta discussão, e a partir dos desenhos anexos e reivindicações, que várias mudanças, modificações e variações podem ser feitas aqui sem se afastar do espirito verdadeiro e do escopo justo da invenção como definida pelas reivindicações a seguir.

REIVINDICAÇÕES

Claims (20)

1. Método de formação de uma peça fundida, o método caracterizado por compreender: formar um molde de formação de peça; colocar um componente de metal no dito molde, o dito componente tendo uma área; colocar material isolante na dita área oca, o dito material tendo uma cavidade formada nela; derreter uma quantidade de metal; verter uma porção do dito metal derretido na dita área oca; e verter o restante do dito metal derretido no dito molde.

2. Método de formação de uma peça fundida, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por incluir identificar uma temperatura selecionada para o dito componente de metal e verter o restante do dito metal derretido no dito molde após o dito componente de metal alcançar a dita temperatura selecionada.

3. Método de formação de uma peça fundida, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado oor o dito molde de formação de peça compreender uma porção superior e uma porção inferior e em que a dita porção superior está colocada sobre a dita porção inferior após a dita porção do dito metal derretido ser colocada na dita área oca do dito material isolante.

4. Método de formação de uma peça fundida, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado oor o dito componente de metal ser ferro fundido.

5. Método de formação de uma peça fundida, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o dito componente de metal ser a camisa de cilindro.

6. Método de formação de uma peça fundida, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o dito material isolante ser areia solidificável.

7. Método de formação de uma peça fundida, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado oor o dito metal derretido ser alumínio.

8. Método de formação de uma peça fundida, o método caracterizado oor compreender: formar um molde tendo porções superior e inferior; formar um componente de metal, o dito componente tendo uma área; colocar o dito componente na dita porção inferior; colocar um material isolante tendo uma cavidade na dita área oca; verter metal derretido na dita cavidade para aquecer o dito componente; e verter metal derretido no dito molde.

9. Método de formação de uma peça fundida, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado oor incluir identificar uma temperatura selecionada para o dito componente de metal e verter o dito metal derretido na dita cavidade para aquecer o dito componente após o dito componente de metal alcançar a dita temperatura selecionada.

10. Método de formação de uma peça fundida, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por a dita porção superior estar colocada sobre a dita porção inferior antes da dita porção do dito metal derretido ser derretida na dita cavidade para aquecer o dito componente.

11. Método de formação de uma peça fundida, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado oor o dito metal derretido na dita cavidade e o dito metal derretido vertido no dito molde serem o mesmo metal.

12. Método de formação de uma peça fundida, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado oor o dito componente de metal ser ferro fundido.

13. Método de formação de uma peça fundida, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por o dito componente de metal ser uma camisa de cilindro.

14. Método de formação de uma peça fundida, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado oor o dito metal derretido ser alumínio.

15. Método de formação de uma peça fundida, o método caracterizado oor compreender: formar um molde tendo porções superior e inferior; colocar um componente tendo uma área na dita porção inferior; colocar material isolante tendo uma cavidade na dita área; colocar a dita porção superior sobre a dita porção inferior para formar um pacote de molde; verter uma primeira porção de um metal derretido na dita cavidade; colocar a dita porção superior sobre a dita porção inferior; e verter uma segunda porção do dito metal no dito molde substancialmente ao redor do dito componente.

16. Método de formação de uma peça fundida, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado oor incluir identificar uma temperatura selecionada para o dito componente e verter a dita primeira porção do dito metal derretido na dita cavidade para aquecer o dito componente após o dito componente alcançar a dita temperatura selecionada.

17. Método de formação de uma peça fundida, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado oor o dito componente ser um metal.

18. Método de formação de uma peça fundida, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado oor o dito componente de metal ser ferro fundido.

19. Método de formação de uma peça fundida, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado oor o dito componente de metal de ferro fundido ser a camisa de cilindro.

20. Método de formação de uma peça fundida, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado por o dito metal derretido ser alumínio.