Ferramentas de fundição sob pressão: projeto, materiais e melhores práticas

As ferramentas de fundição sob pressão, como o próprio nome indica, englobam os moldes e matrizes do processo de fundição. Quando bem projetadas, proporcionam detalhes precisos, tolerâncias rigorosas e tempos de ciclo estáveis em centenas de milhares, às vezes milhões, de injeções.

Neste artigo, nós da Moldie vamos extrair os fundamentos das ferramentas de fundição sob pressão e ajudá-lo a obter uma melhor compreensão do seu mecanismo de funcionamento, soluções de ferramentas e outros fatores relevantes na tecnologia de fundição sob pressão.

O que é ferramental de fundição sob pressão e como funciona?

Em sua essência, as ferramentas de fundição sob pressão são moldes complexos de aço de alta resistência, compostos por duas ou mais metades. Sua função principal é moldar o metal fundido sob imensa pressão em uma peça com formato final definido.

Uma ferramenta padrão de fundição sob pressão consiste em duas metades principais:

• Matriz de Cobertura (Metade Fixa): Esta metade é montada na placa fixa da máquina de fundição sob pressão e contém o sistema de injeção — seja o pescoço de ganso (em câmara quente) ou a manga de injeção (na câmara fria).
• Matriz Ejetora (Metade Móvel): Esta metade é montada na plataforma móvel e contém o sistema de ejeção para expelir a peça fundida solidificada após o ciclo.

O ciclo de fundição sob pressão em quatro etapas principais:

1. Fixação: As duas metades da matriz são fixadas hidraulicamente com uma força imensa (frequentemente de centenas a milhares de toneladas) para suportar a alta pressão da injeção.

2. Injeção: O metal fundido é injetado na cavidade do molde em alta velocidade e pressão. É aqui que reside a distinção entre câmara quente e... câmara fria A análise dos sistemas torna-se crítica, conforme detalhado na próxima seção.

3. Resfriamento: O metal solidifica-se dentro da cavidade, adquirindo sua forma final. As ferramentas são equipadas com complexos canais de refrigeração internos que fazem circular água ou óleo para controlar o processo de solidificação e suportar os ciclos térmicos extremos.

4. Ejeção: A braçadeira se abre e a placa extratora na metade móvel avança, empurrando os pinos extratores contra a peça fundida para liberá-la do molde.

Esse ciclo se repete a cada poucos segundos durante toda a vida útil da ferramenta, submetendo-a a estresse térmico extremo (do metal fundido), estresse mecânico (da pressão de fixação e injeção) e desgaste abrasivo. O projeto, os materiais e a manutenção das ferramentas são todos otimizados para suportar esse ambiente severo.

Projeto de moldes personalizados para ferramentas de fundição sob pressão

Inclinação, raios e espessura da parede

Aplicando rascunho adequado O primeiro passo para ejeções limpas e maior vida útil é a otimização do ângulo de saída. Para resultados ideais, utilize um ângulo de saída de 0,5 a 1,0 grau nas faces externas e um ângulo ligeiramente mais acentuado, de 1,0 a 2,0 graus, nos núcleos internos. Além disso, se a superfície for texturizada, será necessário adicionar ainda mais ângulo de saída, geralmente um grau ou mais, para acomodar a textura e evitar que a peça grude durante a ejeção.

Além dos ângulos de inclinação, incorporando filés generosos É fundamental para a durabilidade e qualidade da peça. O uso de filetes com raio de pelo menos 0,5 a 1,0 mm para zinco e de 1,0 a 2,0 mm para alumínio ajuda a distribuir a tensão e previne fissuras, reduzindo cantos vivos. Esse procedimento também melhora o fluxo do metal fundido.

Além disso, os projetos devem manter espessura de parede uniforme,Utilize nervuras e saliências estratégicas e evite paredes extremamente finas — geralmente acima de 0,8 a 1,0 mm para alumínio — a menos que a configuração específica seja comprovadamente adequada para suportá-las.

Tolerâncias e Datums Críticos

Estabelecer um referência de datum clara Estruturar utilizando superfícies robustas e acessíveis que sejam essenciais para a função e medição da peça. Aplicar Dimensionamento e Tolerância Geométrica (GD&T) para controlar forma, orientação e localização — como planicidade, posição e perfil. Este sistema define os limites funcionais da peça. Evite restringir excessivamente o projeto permitindo tolerâncias mais amplas em superfícies não críticas, o que simplifica as ferramentas e a fabricação sem afetar o desempenho.

Os alvos de referência devem ser colocados em bases estáveis, talhadas conforme o molde, e de fácil acesso às sondas. Nunca defina um alvo transversalmente à linha de partição, pois pequenos desalinhamentos entre as metades do molde causarão erros de medição e comprometerão o sistema de referência.

Lembre-se de que as tolerâncias de fundição são maiores do que as tolerâncias de usinagem. Aplique as tolerâncias de usinagem somente em elementos críticos. como superfícies de vedação ou encaixes de rolamentos, deixando outras áreas como fundidas. Isso minimiza operações secundárias e reduz custos.

Estratégia de separação, minimização de deslizamentos e custos.

O custo e a complexidade dos moldes de fundição são determinados principalmente pela linha de partição e pelo número de deslizamentos. Como cada deslizamento aumenta significativamente o custo, a manutenção e o tempo, um objetivo fundamental do projeto é minimizá-los. Isso pode ser feito reorientando os recursos para o plano de partição principal ou redesenhando o molde para eliminar reentrâncias. A melhor abordagem é a colaboração precoce e... Análise DFM, o que pode consolidar slides, reduzir prazos de entrega, diminuir custos e aumentar a durabilidade das ferramentas.

Texturas e Logotipos

A criação de texturas e logotipos exige etapas específicas para garantir qualidade e durabilidade. A aplicação de qualquer textura requer ângulos de inclinação maiores para uma projeção adequada, portanto, sempre Consulte seu fornecedor para obter as especificações exatas ao adicionar logotipos.. Sempre que possível, os logotipos devem ser posicionados em superfícies não críticas e não funcionais. O ideal é que fiquem rebaixados na superfície, em vez de em relevo, para evitar arranhões e desgaste na ferramenta.

Materiais de aço ferramenta e tratamentos de superfície

Aços comuns para ferramentas (H13, H11, Maraging)

• H13O carro-chefe da indústria para fundição de alumínio, Com boa resistência a altas temperaturas, resistência à fadiga térmica e tenacidade. O tratamento térmico e o revenimento adequados são imprescindíveis.
• H11Oferece boa tenacidade e resistência ao choque térmico, mas é menos utilizado do que o H13 para cavidades e núcleos principais em fundição de alumínio devido à sua menor resistência a altas temperaturas.
• Aços maragingÚtil para insertos que exigem alta resistência e excelente usinabilidade ou para insertos híbridos fabricados por manufatura aditiva; normalmente combinado com engenharia de superfície para mitigar a soldagem.

Outros aços comuns incluem o P20 para ligas de zinco e magnésio, e aços de alta dureza como o D2 para pinos extratores e outros componentes sujeitos a alto desgaste.

Revestimentos, nitretação e engenharia de superfícies

• NitretaçãoCria uma camada de difusão dura e resistente ao desgaste para resistir à erosão e à microsoldagem. É amplamente utilizada em H13/H11.
• Revestimentos PVD/CVD (ex: TiN, CrN, AlCrN)Reduzir a molhagem, melhorar a lubrificação e limitar a soldagem. A seleção depende da liga e da temperatura de operação.
• Cromo duro, níquel-boro e revestimentos especiais anti-soldagem.Aplicado em áreas de entrada de gás, zonas de impacto de alta velocidade e núcleos propensos a aderência. O preparo da superfície e a qualidade do aço base determinam o sucesso.

Resistência à fadiga térmica, soldagem e erosão

• Fadiga térmica Manifesta-se como fissuras térmicas na superfície da matriz, causadas por ciclos rápidos de aquecimento e resfriamento. As estratégias de mitigação envolvem principalmente o uso de aços-ferramenta com alta resistência à fadiga térmica (como o H13) e o projeto de sistemas de resfriamento balanceados para gerenciar os ciclos térmicos extremos. O pré-aquecimento da matriz antes da produção é uma medida preventiva crucial para reduzir o choque térmico inicial.
• De solda, A aderência indesejável da liga fundida ao aço da matriz é exacerbada quando as temperaturas locais do aço caem para uma faixa "pegajosa". Isso pode ser evitado por meio de revestimentos especiais, agentes desmoldantes e controle cuidadoso das temperaturas da parede da matriz para evitar essa faixa crítica.
• Erosão Normalmente, esse problema ocorre perto de pontos de entrada ou áreas com curvas acentuadas no fluxo, onde o metal fundido em alta velocidade incide sobre a superfície. Para combater isso, os ângulos de impacto devem ser suavizados, os raios aumentados e as superfícies nessas zonas críticas podem ser endurecidas localmente para maior resistência.

Construção, amostragem e manutenção das ferramentas

Fluxo de trabalho e prazos de entrega na fabricação de ferramentas

Um programa típico de ferramentas de fundição sob pressão normalmente passa por 8 etapas:

Primeiro artigo, testes e iterações

A amostragem inicial verifica o preenchimento, a porosidade e a estabilidade dimensional. Espere iterações nos tamanhos dos pontos de injeção, profundidades dos respiros, receitas de pulverização e parâmetros de injeção. A inspeção da primeira peça relaciona os resultados medidos com a GD&T do desenho. Loops baseados em dados, imagens térmicas, registros de pressão na cavidade e níveis de vácuo ajudam a convergir mais rapidamente do que tentativas e erros.

Manutenção preventiva, reforma e reparo

A manutenção preventiva de rotina inclui a limpeza de respiros, a reforma de válvulas de fechamento, a verificação do desgaste por ejeção e o recondicionamento das conexões de refrigeração. A renitretação e os reparos por pontos de solda prolongam a vida útil. Mantenha uma estratégia de insertos sobressalentes para núcleos e áreas de injeção de alto desgaste. Monitore os ciclos de manutenção e os modos de defeito: as ferramentas revelam informações por meio de seus padrões de desgaste.

Defeitos comuns e soluções

Porosidade, juntas frias e falhas de funcionamento

• Porosidade do gásMelhorar a ventilação/vácuo, reduzir a turbulência através da geometria do ponto de injeção e estabilizar a temperatura do chip. Reequilibrar a pulverização e a lubrificação para evitar vapores aprisionados.
• Reduzir a porosidade: engrossar seções localizadas ou adicionar alimentação/transbordamento; ajustar o resfriamento para evitar congelamento prematuro em pontos quentes.
• Fechamentos a frio/falhas de fluxo: Aumente as temperaturas de fusão e da matriz dentro das especificações, alargue os pontos de injeção ou reposicione-os para manter a frente de fluxo quente e contínua.

Flash, Soldagem e Colagem

• Flash: Melhore as superfícies planas de fechamento, corrija o travamento da matriz e verifique a força de fechamento. O excesso de pulverização também pode causar travamento hidráulico.
• Soldagem: Aumente a temperatura da superfície do aço acima da faixa de aderência, aplique revestimentos antiaderentes e ajuste a composição química do lubrificante. Reduza o impacto direto reposicionando os pontos de injeção.
• Problemas de aderência: Aumente o ângulo de saída, refine as superfícies de ejeção, redistribua os pinos extratores ou utilize buchas extratoras onde os ressaltos forem altos.

Deformação e Deriva Dimensional

• Empenamento: resulta de resfriamento irregular e tensão residual. Equilibre os circuitos de resfriamento, use canais conformes em peças assimétricas e ajuste os parâmetros do processo de têmpera para uma solidificação gradual.
• Desvio dimensional: Isso pode ocorrer em longos períodos de produção, indicando expansão térmica da matriz. Para características problemáticas, projete a calibração pós-fundição ou o acabamento de usinagem direcionado.

Conclusão

A fabricação de ferramentas de fundição sob pressão é um investimento vital que garante qualidade e eficiência por meio de engenharia de precisão e colaboração estratégica. Você deve escolher parceiros com processo de produção de moldes bem estabelecido e vasta experiência em DFM (Design for Manufacturing). Essa abordagem transforma desafios em produção confiável, proporcionando valor consistente e vantagem competitiva.

Perguntas frequentes

Como a complexidade da peça se traduz, na prática, em custos mais elevados de ferramental? Será que se trata apenas de tamanho?

Embora o tamanho da peça influencie o custo do aço, o custo das ferramentas vai muito além da quantidade de material utilizado. Cada rebaixo que exige um deslizador, cada núcleo complexo e cada detalhe com tolerâncias rigorosas adicionam tempo de engenharia, usinagem de precisão e pontos de manutenção futuros. Uma peça mais simples, com uma linha de partição limpa e baixo volume de produção, geralmente pode ser usinada em uma ferramenta de cavidade única, mais barata e confiável. Já uma peça com muitos rebaixos exigirá uma ferramenta complexa com múltiplos deslizadores, independentemente da presença de cavitação.

Quais são os principais indicadores durante a fase de amostragem/teste de uma ferramenta que preveem futuros problemas de produção?

Sugerimos que você observe a consistência. Se pequenos ajustes nos parâmetros da máquina (como temperatura ou velocidade de injeção) causarem grandes oscilações na qualidade das peças ou defeitos, o projeto da ferramenta pode ser instável. Outros sinais de alerta incluem dificuldade em ejetar as peças de forma consistente, sinais de soldagem nas injeções iniciais ou a incapacidade de estabelecer uma "janela de processo" ampla e estável onde peças de boa qualidade sejam produzidas. Uma ferramenta qualificada deve ser tolerante e repetível.

Quando é mais rentável projetar uma ferramenta "mais simples" e usar usinagem secundária para características complexas?

Essa abordagem costuma ser sensata para características extremamente difíceis ou caras de fundir, como furos muito profundos e de pequeno diâmetro, roscas com raízes perfeitas ou cantos internos extremamente afiados. Ao fundir um bloco sólido e furá-lo/rosqueá-lo em uma operação secundária, você evita o custo e os potenciais pontos de falha de pinos de núcleo frágeis no molde. É uma questão de equilíbrio entre o custo de usinagem por peça e a complexidade/risco inicial da ferramenta.