Sebenta · Elaborar o desenho de moldes para fundição (UC05427)

Introdução

Esta sebenta ensina a elaborar o desenho de um molde para fundição, desde a leitura do desenho técnico da peça até ao desenho final do molde, pronto para seguir para a oficina de moldação. É trabalho aplicável a diferentes contextos da indústria metalomecânica, sempre que uma peça se produz por fundição de uma liga metálica.

O percurso é o de um projetista real: interpretar a peça a fundir, escolher o tipo de molde, calcular as contrações e as espessuras de maquinação, definir a linha de apartação e a posição de moldação, dimensionar prensos e machos, projetar o sistema de gitagem e alimentação, e por fim reunir tudo no desenho completo do molde, com segurança, ambiente e qualidade sempre presentes.

Objetivos de aprendizagem (referencial): analisar o desenho técnico da peça a fundir; definir o plano de apartação e a posição de moldação; projetar o sistema de gitagem e alimentação; e desenhar o molde e as caixas de macho, cumprindo as normas de segurança, ambiente e qualidade.

1. O desenho técnico da peça a fundir

Nenhuma decisão de projeto se toma sem primeiro ler corretamente o desenho técnico da peça que se vai fundir. O desenho técnico segue normas próprias:

• Projeções ortogonais: as vistas de frente, topo e perfil, coerentes entre si, que dão a forma tridimensional da peça.
• Cortes e secções: revelam furos, cavidades e nervuras que não seriam visíveis numa vista exterior.
• Simbologia e anotações: rugosidade, soldadura, tratamento térmico e outras indicações normalizadas.
• Toleranciamento geral: a classe de tolerância que se aplica quando uma cota não tem tolerância própria indicada.

Ler estas quatro camadas de informação é a primeira competência exigida nesta UC: sem uma leitura completa e correta, todas as decisões seguintes (tipo de molde, apartação, machos) partem de uma base errada.

Exemplo resolvido · identificar cavidades interiores

Uma peça em forma de tubo é apresentada em duas vistas (frente e corte lateral). Na vista de frente, a peça parece um cilindro maciço. É só no corte que aparece um furo passante ao centro.

1. Ler a vista de frente: forma cilíndrica exterior.
2. Ler o corte: revela o furo interior, com o seu diâmetro cotado.
3. Concluir: esta peça vai precisar de um macho para formar o furo, porque o modelo sozinho não consegue deixar uma cavidade fechada.

Esta leitura, feita ainda antes de qualquer desenho de molde, condiciona logo a escolha de precisar ou não de macho.

2. Cotagem, toleranciamento, legendas e listas

Cotagem nominal versus cotagem de fabrico

A cotagem nominal é a dimensão que a peça deve ter, já acabada. A cotagem de fabrico é a dimensão que o modelo e o molde têm de ter para, depois da contração do metal e da maquinação, chegar exatamente à cota nominal.

Cota de fabrico = Cota nominal × (1 + contração) + espessura de maquinação

A cota de fabrico é sempre maior do que a nominal. É este cálculo, aplicado cota a cota, que ocupa boa parte do trabalho de desenho desta UC (ver capítulos 6 e 7).

Simbologia e anotações específicas de fundição

Além da simbologia geral do desenho técnico, o desenho de moldes acrescenta anotações próprias:

Legendas, balões de identificação e lista de peças

A legenda (cartucho) regista título, escala, material, data, autor e número de revisão do desenho. Os balões de identificação numeram cada componente do molde (caixa de moldação superior, caixa de moldação inferior, machos, caixas de macho), e a lista de peças é a tabela associada, com designação, material e quantidade de cada um. Num molde com vários elementos, é esta correspondência entre balão e lista que evita erros de montagem na oficina.

3. Tipos de molde e critérios de seleção

Existem várias famílias de molde para fundição, com características muito diferentes:

Critérios de seleção

A escolha do tipo de molde fundamenta-se em vários fatores, ponderados em conjunto:

• Quantidade a produzir: séries pequenas favorecem a areia; séries grandes favorecem moldes permanentes, apesar do custo inicial maior.
• Complexidade geométrica: cavidades internas complexas podem exigir machos ou processos como a cera perdida.
• Liga metálica: o ponto de fusão e o comportamento térmico da liga condicionam o material do molde.
• Acabamento e precisão exigidos: peças de precisão apontam para areia fina, coquilha ou cera perdida.
• Custo e prazo: um molde permanente é caro no arranque, mas mais barato por peça produzida em grandes séries.

Exemplo resolvido · escolher o tipo de molde

Uma oficina vai produzir 1 peça única, em ferro fundido, com geometria simples (um suporte maciço, sem cavidades internas).

1. Quantidade: uma só peça, não justifica investimento num molde permanente.
2. Geometria: simples, sem necessidade de macho.
3. Conclusão: moldação em areia verde, de baixo custo e adequada a uma peça única.

Se a mesma peça fosse produzida em série de 10.000 unidades, a conclusão seria diferente: a moldação permanente amortizaria o investimento inicial e reduziria o custo por peça.

4. Técnicas de moldação e de execução de moldes

A sequência da moldação em areia

1. Colocar o modelo na caixa de moldação inferior.
2. Compactar a areia de moldação à volta do modelo, por apiloamento ou vibração.
3. Retirar o modelo com cuidado, deixando a cavidade com a forma exata da peça.
4. Repetir o processo para a caixa de moldação superior, alinhando pela linha de apartação.
5. Colocar os machos, se existirem, encaixados pelos seus prensos.
6. Fechar o molde e prepará-lo para o vazamento.

Decisões de execução do molde

Para além da sequência de moldação, a execução do molde exige decisões de projeto que se fixam no desenho:

• Número de moldações por caixa: uma ou várias peças no mesmo molde.
• Inclinações de saída: ângulos que facilitam a extração do modelo sem danificar a cavidade.
• Reforços nas zonas frágeis da cavidade, para evitar colapsos de areia.
• Alinhamento das duas metades do molde, para fecharem sem desvio.

Um molde bem executado reduz defeitos como rebarbas, desalinhamentos ou colapsos de areia durante o vazamento.

5. Equipamentos e materiais do desenho do molde

Instrumentos de desenho

O desenho de moldes assenta em instrumentos clássicos de desenho técnico, usados com rigor:

Materiais e equipamento de construção do modelo

Os modelos e caixas de macho são muitas vezes construídos em madeira, e o desenho tem de considerar o material de execução:

• Máquinas para trabalhar madeira: corte, aplainamento e acabamento do modelo.
• Papel ou madeira: suportes de desenho e de construção do modelo, consoante a fase do trabalho.
• Materiais de escrita (lápis e borrachas): esboçar e anotar informação nos desenhos.
• Lápis de cor: destacar zonas de apartação, prensos ou maquinação diretamente no desenho.

O desenhador escolhe cotas e tolerâncias compatíveis com o que a máquina e o material de execução do modelo conseguem realmente cumprir.

6. Contração dos diferentes materiais

Porque contrai o metal

Ao arrefecer, o metal fundido contrai: passa do estado líquido para sólido e continua a encolher até à temperatura ambiente. Se o molde tivesse exatamente a dimensão final desejada, a peça sairia mais pequena do que o previsto. Por isso, o modelo e o molde são desenhados maiores do que a peça final, na proporção da contração da liga usada.

Valores de contração por liga

Estes valores são de referência: variam com a composição exata da liga e a espessura da peça, e confirmam-se sempre em tabelas técnicas específicas do material.

Exemplo resolvido · calcular a cota com contração

Uma peça em aço fundido (contração ≈ 2,0%) tem uma cota nominal de 180 mm.

1. Fator de contração: 1 + 2,0/100 = 1,02.
2. Cota já com contração: 180 × 1,02 = 183,6 mm.
3. Esta é a cota a usar no modelo, antes de somar ainda a espessura de maquinação (capítulo seguinte).

Se a mesma peça fosse em ligas de alumínio (contração ≈ 1,2%), a cota com contração seria 180 × 1,012 = 182,16 mm: uma liga diferente muda sempre o resultado.

7. Espessuras de maquinação

A espessura de maquinação é o material extra deixado nas superfícies que, depois de fundidas em bruto, vão ser maquinadas (torneadas, fresadas, retificadas) até à cota e ao acabamento final.

Não se confunde com a contração: a contração compensa o encolhimento do metal ao arrefecer; a espessura de maquinação compensa a imprecisão da fundição em bruto, e aplica-se só às superfícies que serão maquinadas.

Fatores que determinam a espessura

• Dimensão da peça: peças maiores toleram desvios de fundição maiores, e pedem espessuras maiores.
• Posição da superfície no molde: as escórias, as inclusões e os gases sobem durante a solidificação, por isso é a superfície virada para cima (na caixa superior) que acumula mais defeitos e pede mais espessura. É esta a razão para virar as superfícies críticas para baixo.
• Tipo de molde: a moldação em areia tem tolerâncias maiores do que a coquilha ou a cera perdida, exigindo mais espessura de maquinação.
• Processo de maquinação previsto e o acabamento final exigido na peça.

Exemplo resolvido · a cota de fabrico completa

Retomando a peça em aço fundido do capítulo anterior (cota nominal 180 mm, já com contração 183,6 mm), a superfície em causa vai ser retificada, e o processo (areia verde) exige uma espessura de maquinação de 3 mm.

Cota de fabrico = 183,6 + 3 = 186,6 mm

É este o valor final a desenhar e a cotar no modelo e no molde para esta superfície.

8. Linha de apartação e posição de moldação

A linha de apartação

A linha de apartação é a linha (ou superfície) por onde o molde se divide em duas ou mais partes, permitindo retirar o modelo e depois desmoldar a peça. Separa a caixa de moldação superior da inferior. Fica visível na peça final como uma pequena rebarba, removida no acabamento.

Ao escolher a linha de apartação, o desenhador procura:

• Facilitar a extração do modelo, sem contra-saídas que o impeçam de sair.
• Reduzir o número de machos necessários, sempre que possível.
• Manter as superfícies mais exigentes da peça numa posição favorável à qualidade da fundição.

A posição de moldação

A posição de moldação é a orientação da peça dentro do molde durante o vazamento, decidida em conjunto com a linha de apartação:

• Zonas críticas da peça devem ficar viradas para baixo ou lateralmente, onde há menos defeitos.
• A posição influencia diretamente o percurso do metal líquido e a eficácia do sistema de gitagem e alimentação (capítulo 10).
• Deve permitir que os gases escapem durante o vazamento, sem ficarem retidos na cavidade.

Definir o plano de apartação e a posição de moldação, em conjunto, é uma das quatro realizações centrais desta UC.

Exemplo resolvido · escolher a linha de apartação

Uma peça em forma de "L", vazada e sem cavidades internas, tem de ser desmoldada sem contra-saídas.

1. Analisar a forma: o "L" tem um ângulo reto entre os dois braços.
2. Testar uma linha de apartação a meio da altura de um dos braços: o modelo ficaria preso pelo outro braço (contra-saída).
3. Testar uma linha de apartação que segue o plano exterior do "L", coincidindo com a face plana maior: o modelo sai livremente para os dois lados.
4. Conclusão: a linha de apartação escolhe-se pela face plana maior do "L", que permite a extração sem contra-saídas nem machos adicionais.

9. Prensos

Os prensos são os prolongamentos do macho (e as cavidades correspondentes no molde, os assentos de prenso) que servem para posicionar e apoiar o macho dentro da cavidade, sem outro suporte.

• O macho tem prensos nas extremidades; o molde tem as cavidades correspondentes onde esses prensos encaixam.
• Garantem que o macho fica centrado e estável durante o vazamento, resistindo ao empuxo que o metal líquido exerce sobre ele.
• O seu dimensionamento entra na cota de fabrico, tal como qualquer outra zona do molde.

Dimensionar os prensos

• Considerar o peso do macho e o empuxo do metal líquido (tende a fazê-lo flutuar dentro da cavidade).
• Prever a folga necessária entre o prenso e o assento: suficiente para montar sem forçar, mas sem folga excessiva que desloque o macho.
• Escolher a forma do prenso (cilíndrica ou cónica) em função da orientação de montagem do macho no molde.

Um prenso mal dimensionado desloca o macho durante o vazamento, desviando a cavidade interior e comprometendo a peça final. "Definindo os prensos e machos" é, textualmente, um dos critérios de desempenho desta UC.

10. Machos e caixas de macho

O que são machos

Os machos são elementos colocados dentro da cavidade do molde para formar cavidades interiores ou contra-saídas na peça (furos, canais, reentrâncias) que o modelo, sozinho, não consegue reproduzir. São normalmente feitos de areia aglomerada, moldada à parte numa caixa de macho.

Depois de secos ou endurecidos, os machos são colocados dentro do molde, encaixados pelos seus prensos, antes do fecho. Após o vazamento e o arrefecimento, o macho é destruído e removido de dentro da peça sólida, deixando a cavidade que formava.

A caixa de macho

A caixa de macho é o molde onde se fabrica o macho, tal como a caixa de moldação é o molde onde se fabrica o molde da peça:

• Geralmente feita em duas partes, que se montam e desmontam para permitir retirar o macho já formado.
• Desenha-se com as mesmas regras de contração e cotagem de todo o projeto.
• Deve incluir os prensos do macho já na sua forma, para que saiam corretos ao desmoldar.

Exemplo resolvido · identificar a necessidade de macho

Retomando a peça em forma de tubo do capítulo 1 (furo passante central):

1. O modelo, ao ser retirado do molde, deixa a cavidade exterior da peça, mas não consegue deixar um furo interior fechado.
2. É por isso necessário um macho cilíndrico, com o diâmetro do furo, colocado dentro da cavidade antes do fecho do molde.
3. O macho tem prensos nas duas extremidades, que encaixam nos assentos correspondentes do molde, mantendo-o centrado durante o vazamento.
4. A caixa de macho para este macho cilíndrico é, ela própria, bipartida ao longo do eixo do cilindro.

11. Sistema de gitagem e alimentação

O percurso do metal líquido: a gitagem

O sistema de gitagem é o conjunto de canais por onde o metal líquido entra no molde até preencher a cavidade da peça:

Bacia de vazamento → Gito de descida → Canal de distribuição → Ataques → Cavidade da peça

Um sistema de gitagem mal dimensionado provoca turbulência no enchimento, com defeitos como inclusões de ar ou erosão da areia do molde.

O sistema de alimentação: massalotes e respiros

Encher a cavidade não basta: é preciso garantir que a peça solidifica sem defeitos:

• Massalote (ou montante): reserva de metal líquido que compensa a contração de solidificação, alimentando as zonas que arrefecem por último.
• Respiro: canal fino que permite aos gases escaparem do molde durante o vazamento, evitando bolhas na peça.

Os massalotes colocam-se sobre as zonas de maior espessura da peça, que solidificam por último, garantindo que o metal líquido do massalote alimenta essas zonas antes de o próprio massalote solidificar.

Projetar o sistema de gitagem e alimentação é uma das quatro realizações centrais desta UC.

Exemplo resolvido · posicionar o massalote

Uma peça tem uma zona fina (5 mm) e uma zona espessa (30 mm), ligadas entre si.

1. A zona fina solidifica primeiro, por ter menos massa a arrefecer.
2. A zona espessa solidifica por último, e é aí que ocorre a maior contração de solidificação.
3. Conclusão: o massalote coloca-se sobre a zona espessa, para continuar a fornecer metal líquido a essa zona até ela solidificar por completo, evitando um vazio (rechupe) no interior da peça.

12. Desenhar o molde com todos os elementos

Chegado a este ponto, o desenho do molde reúne, de forma coerente, todos os elementos estudados:

1. Cotas de fabrico (nominal + contração + espessura de maquinação, capítulos 6 e 7).
2. Linha de apartação e posição de moldação definidas (capítulo 8).
3. Prensos e machos desenhados e cotados, com as respetivas caixas de macho (capítulos 9 e 10).
4. Sistema de gitagem e alimentação completo (bacia, gito, canais, ataques, massalotes, respiros, capítulo 11).
5. Legenda, balões de identificação e lista de peças de todo o conjunto (capítulo 2).

Desenhar o molde com todos os elementos é a última das quatro realizações centrais desta UC, e reúne todas as anteriores.

Checklist de verificação final

Antes de dar o desenho por concluído, confere-se sistematicamente:

• Todas as cotas estão em cota de fabrico, não em cota nominal.
• A linha de apartação está assinalada e coerente com a posição de moldação.
• Cada macho tem os seus prensos e a correspondente caixa de macho.
• O sistema de gitagem e alimentação está completo, sem ataques nem massalotes esquecidos.
• Legenda, balões e lista de peças preenchidos e coerentes entre si.

13. Segurança, saúde, ambiente e qualidade

O trabalho de desenho e o acompanhamento em oficina de fundição exigem o cumprimento rigoroso de normas transversais:

• Equipamento de proteção individual (EPI): usado sempre que há contacto com máquinas, materiais ou zonas de fundição.
• Normas de segurança e saúde no trabalho: aplicadas às máquinas de trabalhar madeira e a todo o equipamento usado.
• Normas de segurança dos materiais e das máquinas: verificação de que o equipamento está em condições seguras de utilização.
• Normas de gestão de resíduos: separação e destino correto de aparas de madeira, areias usadas e outros resíduos do processo.
• Normas de proteção ambiental: minimizar o impacto do processo de moldação e fundição.
• Normas da qualidade: rigor, verificação sistemática e cumprimento de especificações em todo o desenho.

Estas normas expressam-se nas atitudes avaliadas nesta UC: responsabilidade pelas próprias ações, autonomia, rigor, sentido de organização, sentido crítico, iniciativa e proatividade, cooperação com a equipa, e respeito pelas regras e normas definidas.

Erros comuns

• Avançar para o desenho do molde sem ler bem o corte da peça, esquecendo cavidades interiores que exigem macho.
• Cotar o molde com cotas nominais, esquecendo de somar a contração e a espessura de maquinação.
• Aplicar a mesma percentagem de contração a ligas diferentes, sem consultar a tabela da liga em causa.
• Confundir contração (encolhimento ao arrefecer) com espessura de maquinação (material extra para maquinar).
• Escolher uma linha de apartação que obriga a mais machos do que o necessário.
• Desenhar o macho sem prensos, deixando-o sem apoio e sujeito a deslocar-se com o empuxo do metal.
• Colocar o massalote na zona errada, numa zona fina que já solidificou antes da zona espessa que precisava de ser alimentada.
• Esquecer respiros, provocando bolhas de gás retidas na peça.
• Entregar o desenho sem legenda, balões ou lista de peças, dificultando a montagem na oficina.

Glossário

• Cota nominal · dimensão final da peça já acabada.
• Cota de fabrico · dimensão a desenhar no modelo e no molde, já com contração e espessura de maquinação.
• Contração · encolhimento do metal ao arrefecer do estado líquido até à temperatura ambiente.
• Espessura de maquinação · material extra deixado numa superfície para ser removido na maquinação final.
• Linha de apartação · linha por onde o molde se divide em duas partes.
• Posição de moldação · orientação da peça dentro do molde durante o vazamento.
• Prenso · prolongamento do macho (e cavidade correspondente no molde) que o posiciona e apoia.
• Macho · elemento de areia colocado no molde para formar cavidades interiores da peça.
• Caixa de macho · molde onde se fabrica o macho.
• Gitagem · sistema de canais por onde o metal líquido entra no molde.
• Ataque · ponto final de entrada do metal na cavidade da peça.
• Massalote (montante) · reserva de metal líquido que alimenta a contração de solidificação.
• Respiro · canal fino que permite a saída de gases durante o vazamento.
• Moldação em areia verde · moldação com areia húmida e argila, sem aditivos químicos.
• Coquilha · molde metálico permanente e reutilizável.
• Balão de identificação · marca numerada que identifica um componente no desenho de conjunto.

Síntese

O trabalho desta UC segue sempre a mesma sequência lógica: interpretar o desenho técnico da peça a fundir, escolher o tipo de molde com base em critérios técnicos, calcular a contração e a espessura de maquinação para obter a cota de fabrico, definir a linha de apartação e a posição de moldação, dimensionar prensos e machos com as suas caixas, projetar o sistema de gitagem e alimentação, e reunir tudo no desenho completo do molde, com segurança, ambiente e qualidade sempre presentes. Domina este fluxo e serás capaz de desenhar o molde de qualquer peça a fundir, em qualquer contexto da indústria metalomecânica.

Exercícios resolvidos

1. Uma peça em ferro fundido cinzento (contração ≈ 1,0%) tem cota nominal de 250 mm. Qual a cota já com contração?

Resolução: fator de contração = 1 + 1,0/100 = 1,01. Cota com contração = 250 × 1,01 = 252,5 mm.

2. À cota anterior falta ainda somar uma espessura de maquinação de 2,5 mm nessa superfície. Qual é a cota de fabrico final?

Resolução: cota de fabrico = 252,5 + 2,5 = 255 mm. É este o valor a desenhar no modelo e no molde.

3. Uma peça vai ser produzida numa série de 50.000 unidades, com geometria simples e exigência de boa repetibilidade dimensional. Que tipo de molde se justifica e porquê?

Resolução: a moldação permanente (coquilha): o investimento inicial no molde metálico amortiza-se pela grande quantidade de peças, e garante repetibilidade dimensional muito superior à moldação em areia, que se destrói a cada peça.

4. Um macho cilíndrico, colocado dentro do molde, desloca-se durante o vazamento. Que elemento do desenho falhou, mais provavelmente, e porquê?

Resolução: os prensos, provavelmente mal dimensionados ou com folga excessiva no assento. Os prensos são o que resiste ao empuxo do metal líquido sobre o macho e o mantém centrado; sem eles corretamente dimensionados, o macho flutua e desvia a cavidade interior da peça.

5. Uma peça tem uma zona espessa de 40 mm ligada a duas zonas finas de 6 mm. Onde deve ser colocado o massalote e porquê?

Resolução: o massalote coloca-se sobre a zona espessa (40 mm), porque é essa que solidifica por último e sofre a maior contração de solidificação. O massalote fornece metal líquido a essa zona até ela solidificar completamente, evitando um vazio interior (rechupe).