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PROJETO DE MOLDES PARA FABRICAÇÃO DE MANCAL DE
DESLIZAMENTO POR INJEÇÃO DE POLÍMERO
Rodrigo Cota da Rocha
Projeto de Graduação apresentado ao
Curso de Engenharia Mecânica da Escola
Politécnica, Universidade Federal do Rio de
Janeiro, como parte dos requisitos
necessários à obtenção do título de
Engenheiro.
Orientador: José Stockler Canabrava Filho
Rio de Janeiro
Fevereiro de 2017
i
Rocha, Rodrigo Cota da
Projeto de Moldes para Fabricação de Mancal de
Deslizamento por Injeção de Polímero/ Rodrigo Cota da
Rocha. – Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, 2017.
VII, 49 p.: il.; 29,7 cm.
Orientador: José Stockler Canabrava Filho
Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/
Curso de Engenharia Mecânica, 2017.
Referências Bibliográficas: p. 31-32.
1. Injeção de Polímeros I. Stockler Canabrava
Filho, José. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro,
Escola Politécnica, Curso de Engenharia Mecânica. III.
Projeto de Moldes para Fabricação de Mancal de
Deslizamento por Injeção de Polímero.
ii
“Se ao escalar uma montanha na direção de uma estrela,
o viajante se deixa absorver demasiado pelos problemas da escalada,
arrisca-se a esquecer qual é a estrela que o guia.”
- Antoine de Saint-Exupéry
iii
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente aos meus pais, Maurício e Andréa, que sempre me
motivaram a crescer e nunca deixaram de acreditar no meu potencial. Agradeço também
pelo apoio e amor que sempre me deram. Sem a presença de vocês, nada disso seria
possível.
Agradeço aos membros da minha família que contribuíram com o meu
desenvolvimento.
Agradeço a meu orientador, José Stockler, pelos grandes ensinamentos passados
ao longo da minha formação. Agradeço também pela paciência e dedicação.
Agradeço a todos os professores que me passaram seus conhecimentos. Um
agradecimento especial para os professores presentes na banca deste projeto, Vitor
Romano e Anna Carla, pelas orientações e análises do projeto.
Agradeço aos amigos que dividiram comigo tantos momentos de alegria e que
me ajudaram a superar tantos desafios. Levo sempre uma parte de cada um de vocês
comigo.
Agradeço ao Tito por sempre auxiliar os alunos. A graduação em engenharia
mecânica seria bem mais difícil sem você.
Agradeço à UFRJ, por nos permitir crescer tanto. Os anos em que passei
estudando nesta grande universidade foram marcados por experiências e superações
impressionantes.
Um agradecimento especial ao meu avô Joaquim (em memória), obrigado por
me ensinar tanto no pouco tempo que tivemos juntos.
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Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como parte
dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.
Projeto de Moldes para Fabricação de Mancal de Deslizamento por Injeção de Polímero
Rodrigo Cota da Rocha
Fevereiro/2017
Orientador: José Stockler Canabrava Filho
Curso: Engenharia Mecânica
Os mancais poliméricos trazem diversas vantagens em relação aos mancais metálicos
tradicionais. Os elementos plásticos podem ser feitos de diferentes materiais, criando
mancais com as propriedades desejadas para cada caso. Além disto, eles dispensam a
necessidade de lubrificação, dispensando a manutenção periódica para renovação do
lubrificante. O presente trabalho objetiva o projeto dos moldes de injeção plástica
necessários para a produção de mancais de deslizamento. As buchas serão injetadas em
um molde e, após seu resfriamento, serão introduzidas no molde onde os corpos de
mancal serão sobreinjetados. Foram selecionados materiais não aderentes para
possibilitar a movimentação da bucha em relação ao corpo do mancal. As cavidades dos
moldes levam em consideração as contrações dos materiais. Uma máquina injetora
capaz de realizar as injeções foi selecionada e simulações foram realizadas no software
Moldflow para analisar os processos de injeção e moldagem das peças. Foram feitos
cálculos para a operação e o resfriamento adequados. Com estes resultados, foram
especificados os elementos necessários.
Palavras-chave: Mancais Poliméricos, Injeção de Polímeros, Sistema de Câmara
Quente, Sobreinjeção.
v
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of
the requirements for the degree of Mechanical Engineer.
Mold Design for the Manufacturing of Plain Bearings through Polymer Injection
Rodrigo Cota da Rocha
February/2017
Advisor: José Stockler Canabrava Filho
Course: Mechanical Engineering
Polymer bearings bring various advantages in relation to the traditional metallic
bearings. Plastic elements can be made from different materials and allow the choice of
different compositions to achieve the best properties for each case. Furthermore, they
spare the necessity of lubrication and the periodic maintenance for its renewal. This
project aims to design the necessary mold parts to produce plain bearings. The liners
will be injected in a mold and will be inserted to another mold after cooling where the
housing will be over-injected. Non adhesive materials were selected to allow relative
motion between liner and housing. The geometry of the mold cavities considers the
materials’ shrinkage. An injection molding machine that is able to produce these
elements was selected and simulations in the software Moldflow were conducted to
analyze the processes’ properties. Calculations were then made to analyze the operation
and the necessary cooling system. After that, the required elements were specified.
Keywords: Polymer bearings, Polymer Injection, Hot Runner System, Over-Injection.
vi
Sumário
1. Introdução ................................................................................................................................. 1
2. Moldagem por injeção ............................................................................................................... 2
2.1. Polímeros ............................................................................................................................ 2
2.2. Características da moldagem por injeção ........................................................................... 2
2.3. Moldes ................................................................................................................................ 4
2.3.1. Componentes do molde ............................................................................................... 5
2.3.2. Ciclo de injeção ........................................................................................................... 7
2.4. Sobremoldagem sem adesão .............................................................................................. 8
3. Fabricação de mancais poliméricos ........................................................................................... 9
3.1. Os mancais ......................................................................................................................... 9
3.2. Mancais poliméricos .......................................................................................................... 9
3.3. Seleção de materiais ......................................................................................................... 10
3.4. Dimensão e formato dos elementos.................................................................................. 11
3.5. Contração dos polímeros .................................................................................................. 12
3.6. Massa injetada por ciclo de injeção .................................................................................. 13
3.7. Sequência de montagem ................................................................................................... 14
3.8. Cálculo estimado da folga ................................................................................................ 14
4. Máquina injetora ..................................................................................................................... 15
4.1. Capacidade de injeção (Ci) ............................................................................................... 15
4.2. Capacidade de plastificação (Cp) ...................................................................................... 16
4.3. Pressão de injeção (Pinj) .................................................................................................... 17
4.4. Força de fechamento (F) .................................................................................................. 17
5. Projeto dos moldes .................................................................................................................. 19
5.1. Número de cavidades ....................................................................................................... 19
5.2. Seleção das peças ............................................................................................................. 19
5.3. Câmara quente .................................................................................................................. 21
5.4. Postiços e gavetas ............................................................................................................. 22
5.5. Simulações das injeções ................................................................................................... 23
5.6. Refrigeração das peças ..................................................................................................... 23
5.6.1. Tempo de resfriamento .............................................................................................. 23
5.6.2. Cálculo dos resfriamentos com água ......................................................................... 24
5.6.3. Transferência estimada de calor entre os elementos ................................................. 26
5.6.4. Projeto dos canais de refrigeração ............................................................................. 27
vii
5.7. Sistema extrator ................................................................................................................ 28
5.8. Ventilação ........................................................................................................................ 29
6. Conclusão ................................................................................................................................ 30
7. Bibliografia ............................................................................................................................. 31
Anexo A – Análise dos processos de injeção pelo Moldflow ..................................................... 33
Dados da análise da injeção das buchas: ................................................................................. 33
Dados da análise da injeção dos mancais: ............................................................................... 34
Anexo B – Catálogos dos fabricantes ......................................................................................... 35
1
1. Introdução
A injeção de polímeros é um processo que possui elevada produtividade e que
vem sendo utilizado na produção de peças cada vez mais complexas e com melhores
acabamentos. Em virtude do grande potencial deste método, este trabalho possui como
objetivo desenvolver o projeto dos moldes para máquina injetora utilizados na produção
de mancais de deslizamento.
O diferencial e a relevância deste projeto estão nos desafios que surgem com a
fabricação de um elemento sobreinjetado que exige baixo coeficiente de atrito entre as
partes. Este tópico é pouco abordado e seu desenvolvimento possibilita a fabricação de
peças complexas e prontas para o uso logo após a injeção. Os próximos parágrafos
descrevem os tópicos abordados em cada capítulo deste trabalho.
O capítulo 2 contém uma revisão sobre fabricação de polímeros a partir da
moldagem por injeção. Nele são descritas as características dos diferentes tipos de
plástico. Apresenta o processo de sobreinjeção sem adesão e descreve o ciclo de
injeção. Os componentes das máquinas injetoras e dos moldes de injeção são
enumerados.
O capítulo 3 se dedica aos mancais poliméricos e suas comparações em relação
aos mancais metálicos comuns. Apresenta a seleção de materiais não aderentes e as
características das peças a serem produzidas neste trabalho. Aborda a influência da
contração dos materiais e contém os cálculos para as massas injetadas por ciclo.
O capítulo 4 apresenta a máquina injetora selecionada e os cálculos dos
parâmetros para os processos de moldagem por injeção das peças.
Com as informações dos capítulos anteriores, o capítulo 5 desenvolve o projeto
dos moldes, abordando: sistema de câmara quente, cavidades, postiços, gavetas e
cálculos estruturais relevantes. Os sistemas de extração e ventilação foram pensados a
partir das simulações feitas no software Moldflow, que permite a simulação de
processos de injeção de polímero.
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2. Moldagem por injeção
2.1. Polímeros
Polímeros são macromoléculas formadas pela repetição de unidades químicas
simples, chamadas de meros, conectadas por ligações covalentes. Os polímeros
possuem cadeias moleculares longas e grande peso molecular. Estas macromoléculas
podem ser orgânicas, como o látex, a madeira e as proteínas, ou sintéticas.
Esses materiais podem ser classificados quanto à fusibilidade e/ou solubilidade.
Esta é a classificação mais utilizada, pois separa os materiais de acordo com suas
propriedades mecânicas. Segundo ela, os polímeros podem ser divididos em
termoplásticos, termorrígidos e elastômeros.
Os termoplásticos possuem ligações fracas entre suas cadeias, tornando-os
capazes de fundirem, o que possibilita a moldagem, através do aquecimento e
resfriamento deles, e a solubilização em solventes compatíveis. Podem ser
reprocessados diversas vezes sem grandes perdas em suas propriedades e podem ser
amorfos ou semicristalinos. São os plásticos mais consumidos atualmente, alguns
exemplos são: policloreto de vinila (PVC), poliestireno (PS), conhecido como isopor, e
polipropileno (PP), utilizado na produção de garrafas e embalagens.
Os termorrígidos possuem ligações entre suas macromoléculas, que geram uma
rede tridimensional chamada reticulado, que produz polímeros tridimensionais com
altas massas molares. O aumento do peso molecular faz com que estes polímeros sejam
insolúveis em água e solúveis em solventes orgânicos. As ligações cruzadas criam uma
estrutura de cadeia estável que impede o deslocamento das moléculas do material,
degradando-se antes de se tornar fluido. A moldagem mais comum desses polímeros é
realizada em altas temperaturas na presença de catalisadores, na reação de cura. Os
termorrígidos de uso geral são as resinas: epóxi (ER), fenolformaldeído (PR), ureia-
formaldeído (UR), melamina-formaldeído (MR) e poliuretano (PU), este último
podendo ser de característica termoplástica.
Os elastômeros são polímeros capazes de retornar rapidamente às suas formas e
dimensões iniciais, após serem deformados por uma carga. Estes materiais suportam
elevadas deformações antes da ruptura. Os monômeros que formam estes polímeros são,
geralmente, compostos por carbono, hidrogênio, oxigênio e silicone. Os elastômeros
mais comuns são: a borracha, que pode ser natural ou vulcanizada, o silicone e as
espumas de poliuretano.
2.2. Características da moldagem por injeção
A moldagem por injeção é um processo cíclico de moldagem de termoplásticos,
é similar ao processo de fundição de metais e é o processo mais utilizado para se
fabricar peças plásticas. Este método pode ser automatizado com relativa facilidade, é
3
capaz de produzir peças de diferentes tamanhos e complexidades e é ideal quando se
deseja produzir grandes volumes de um mesmo produto.
A moldagem por injeção consiste na plastificação e homogeneização mecânicas
de grânulos de polímeros termoplásticos em uma câmara com uma rosca. Então, o
material derretido é injetado dentro da cavidade de um molde, onde é resfriado até
atingir uma temperatura que permita a extração da peça com as dimensões desejadas.
A máquina injetora consiste em duas unidades principais: a de injeção e a de
fechamento. A unidade de injeção funde e injeta o plástico enquanto a unidade de
fechamento é responsável pela fixação e controle do molde. Cada ciclo envolve o
fechamento do molde, a injeção do polímero, o recalque, o resfriamento da peça, a
abertura do molde e a extração da peça. [1]
A Figura 1 apresenta o desenho esquemático de uma máquina injetora e seus
componentes.
Figura 1 - Desenho esquemático de uma máquina injetora. [2] (Adaptado)
Os componentes principais de uma máquina injetora são:
A tremonha (funil) direciona os grânulos de polímero para a região de
alimentação da rosca através da gravidade. Em algumas máquinas, este componente
também realiza a secagem e o pré-aquecimento do material. Outra possibilidade é
anexar um dosador para a alimentação de aditivos, como pigmentos e plastificantes.
Dentro do canhão (cilindro) ocorre a fundição do plástico, devido ao atrito
promovido pela rosca e pelo aquecimento fornecido pelas resistências elétricas
acopladas a seu exterior.
A rosca (parafuso) se encontra dentro do cilindro e é responsável por
transportar, comprimir, fundir, homogeneizar e dosar o polímero. A profundidade dos
sulcos da rosca diminui, o que comprime o material contra as paredes internas do
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cilindro e funde o plástico através do cisalhamento. Uma rosca bem projetada produz
uma massa fundida com temperatura e viscosidade uniformes.
O sistema de fechamento e de controle de variáveis controla a rotação e
translação da rosca e os movimentos de abertura e fechamento da placa do molde. As
injetoras podem ser acionadas por um sistema que pode ser hidráulico, elétrico ou
híbrido. Os acionamentos hidráulicos são mais tradicionais, comuns e que possuem
menores custos. São indicados para a maioria dos serviços, mas apresentam
desvantagens por usarem óleo e serem mais lentos. Os elétricos garantem elevada
precisão e não utilizam óleo, mas não conseguem aplicar pressões tão elevadas quanto
os hidráulicos. O acionamento híbrido utiliza atuadores elétricos para posicionar as
placas, efetuar a dosagem e controlar os movimentos da rosca e utiliza atuadores
hidráulicos para realizar a injeção do plástico.
O bocal conecta o cilindro da injetora à bucha do molde por contato. Similar ao
cilindro costuma se utilizar resistências elétricas para controlar a temperatura do
polímero a ser injetado.
O molde consiste de placas móveis e estacionárias que possuem as cavidades
onde o plástico será moldado. É o componente mais importante para o processo de
moldagem e será detalhado no próximo tópico. [3]
2.3. Moldes
Os moldes utilizados neste projeto são os moldes de duas placas. Estes são os
mais simples, de menor custo e mais utilizados. Os moldes de duas placas possuem uma
placa estacionária, conectada ao bocal da injetora e uma móvel, ligada ao mecanismo de
abertura do molde.
Na Figura 2 é possível observar os diferentes componentes deste tipo de molde e
o ciclo de moldagem. Nela, o molde possui duas cavidades para produzir duas peças
com formatos de copo a cada ciclo de injeção.
5
Figura 2 – Desenhos esquemáticos de um molde de injeção: (a) fechado e (b) aberto.
[4] (Adaptado)
Os moldes onde o polímero permanece plastificado em um distribuidor
(Manifold) no interior do molde entre os ciclos de injeção são denominados de moldes
de canal ou câmara quente. O sistema de controle de temperatura permite que o
polímero esteja na condição desejada no momento da moldagem. Estes moldes
dispensam canais onde o polímero se solidifica em seu interior, o que diminui a
quantidade de plástico necessária e, com isso, aceleram os processos de injeção e
resfriamento.
A Figura 3 ilustra os moldes de câmara quente e permite uma comparação visual
entre esses moldes e os de câmara fria ilustrados na Figura 2.
Figura 3 – Desenho esquemático de um molde de câmara quente. [5] (Adaptado)
2.3.1. Componentes do molde
A Figura 4 apresenta a estrutura básica de um molde de injeção e a nomenclatura
dos diferentes componentes.
6
(a)
(b)
Figura 4 – Estrutura básica de um molde de injeção: (a) desenho esquemático e (b)
nomenclatura das partes. [6] (Adaptado)
Os principais componentes dos moldes de injeção mais simples estão descritos a
seguir.
A bucha de injeção é a peça que encaixa no bocal da injetora e conecta esta
máquina ao molde. O fluxo do plástico fundido passa através da bucha de injeção e
segue até as cavidades do molde. Possui um canal cônico, cuja conicidade geralmente
varia entre 2 e 5 , com o diâmetro maior voltado para o interior do molde para facilitar
a saída da peça após a moldagem.
7
Os canais de distribuição transferem o material fundido desde a bucha de
injeção até as entradas das cavidades do molde. Canais muito finos necessitam de altas
pressões de injeção e possuem menores vazões, canais maiores geram melhores
acabamentos e minimizam as linhas de solda das peças moldadas. Canais muito grandes
podem apresentar problemas, como solidificação de plástico em seus interiores,
prolongamento do tempo do ciclo e maior geração de rebarbas. Os canais circulares são
os mais indicados para a maioria dos casos e precisam ser usinados nas duas metades do
molde para formarem o perímetro desejado quando se unirem.
Os canais de saída de ar possibilitam a saída dos gases que se encontram no
interior do molde antes do plástico ser injetado. Esta retirada de gases é necessária para
não perturbar o fluxo do material injetado e para evitar defeitos como peças
incompletas, zonas queimadas, junções fracas, mau acabamento, marcas de fluxo ou
cavidade preenchida vagarosamente. A folga entre o molde e os pinos extratores é
suficiente para a retirada do ar em muitos dos casos, mas há situações onde canais extras
devem ser usinados.
Os canais de refrigeração são furados diretamente no molde ou feitos com
tubos de cobre revestindo estes furos. O fluido refrigerante, geralmente água, passa por
estes canais. Os furos, sempre que possível, devem manter uma distância de 25 mm em
relação à peça, para evitar interferências no fluxo do polímero e marcas superficiais
indesejadas. O resfriamento da peça deve ser realizado de modo uniforme e controlado,
para que a peça não empene devido aos diferentes gradientes de temperatura e para
diminuir o tempo do ciclo de moldagem. Para isso, a posição e o diâmetro dos canais
juntamente com o fluxo e propriedades do líquido refrigerante devem ser analisados.
Os pinos de extração retiram as peças após a moldagem, uma vez que após a
abertura do molde, as peças costumam permanecer nas cavidades. O sistema de extração
possui uma placa que desloca os pinos extratores para fora da cavidade que, por sua vez,
expulsam as peças do molde.
2.3.2. Ciclo de injeção
O processo de moldagem por injeção é cíclico e segue uma ordem de eventos
durante um determinado intervalo de tempo. Este intervalo é denominado de ciclo de
injeção e consiste no intervalo entre o fechamento do molde em um ciclo até o
fechamento no ciclo seguinte.
O ciclo de injeção é composto por fechamento do molde, injeção, recalque,
plastificação, dosagem, resfriamento, abertura do molde e extração das peças moldadas.
Geralmente, a maior porção dos ciclos de injeção é o tempo de resfriamento.
Assim, maiores capacidades no resfriamento da peça reduzem o custo do processo, uma
vez que os custos operacionais por hora da máquina são constantes. Deve-se ter cuidado
para o molde não ser resfriado de forma intensa demais, o que pode causar peças
tensionadas, quebradiças e com superfícies sem brilho. A Figura 5 mostra um exemplo
8
de ciclo de uma máquina injetora. Nela é possível observar as parcelas de tempo das
diferentes etapas desse processo fictício.
Figura 5 – Ciclo de injeção. [6] (Adaptado)
2.4. Sobremoldagem sem adesão
Existem diversos tipos de injeção onde dois polímeros diferentes são injetados e
moldados para produzirem um produto final. O processo utilizado neste trabalho será o
de sobreinjeção sem adesão.
Este método injeta uma peça sobre outra já moldada de modo que, após o
resfriamento, possa haver movimento relativo entre as duas partes. Para que isso ocorra,
não pode haver adesão entre os materiais escolhidos e o coeficiente de atrito entre eles
deve ser suficientemente baixo.
Quando a adesão entre dois polímeros não ocorre, esta combinação de materiais
é denominada incompatível. Diversos estudos vêm sendo realizados para um melhor
entendimento deste fenômeno, porém, até hoje não existe uma teoria que o explique por
completo. Os dados de compatibilidade são experimentais e nos permitem analisar as
adesões entre diferentes plásticos.
9
3. Fabricação de mancais poliméricos
3.1. Os mancais
O mancal é um elemento de máquina onde se aloja a ponta do eixo girante,
deslizante ou oscilante de uma máquina. Estas peças geralmente são feitas de aço ou de
ferro fundido e utilizam lubrificantes para reduzir o atrito gerado pelo contato da peça
com o mancal e pelo contato interno entre as partes do mancal.
Os mancais podem ser utilizados para conter os movimentos indesejados dos
eixos. Podem permitir movimentos lineares, rotações livres em um eixo ou podem
prevenir movimentos e oscilações ao controlar as forças agindo em suas partes móveis.
Existem diversos tipos de mancais, os mais comuns são os mancais de rolamento
e de deslizamento. O foco deste projeto é o mancal de deslizamento.
Os mancais de deslizamento apresentam uma bucha entre o eixo e o mancal. Nos
elementos feitos de metal, as buchas são feitas com materiais menos resistentes, como o
bronze. Quando o eixo gira, a bucha se desgasta e preserva as condições do mancal e do
eixo.
O funcionamento dos mancais metálicos depende da separação dos elementos
bucha e mancal através da lubrificação. A fina camada de lubrificante diminui o atrito e
alonga a vida útil do elemento. Em mancais de deslizamento, esta lubrificação costuma
ser realizada pelo fluxo constante de óleos lubrificantes.
3.2. Mancais poliméricos
Os mancais plásticos são construídos de materiais mais leves do que os
metálicos e com características escolhidas para as reduções da fricção e do desgaste.
Além disto, estes elementos dispensam a necessidade de lubrificação e de manutenção.
Diversas combinações de polímeros podem ser utilizadas. Assim, em ambientes
corrosivos e/ou úmidos, mancais plásticos com as características desejadas de
resistência à corrosão e à água podem ser utilizados. Nestas situações, a união dessas
propriedades com a eliminação da possibilidade de contaminação de lubrificantes pode
tornar a utilização de mancais plásticos bem vantajosa. A maior parte dos mancais
poliméricos resiste à corrosão por hidrocarbonetos, alcoóis e soluções alcalinas.
Os elementos plásticos atuais não possuem as mesmas resistências mecânicas
dos metálicos, assim, o uso dos mancais poliméricos ainda é limitado a operações mais
lentas e com menores cargas.
Com o desenvolvimento de novos materiais, os elementos poliméricos vêm
recebendo mudanças significativas em suas capacidades de carga e temperatura. Em
geral, os mancais atuais utilizam plásticos resistentes e podem atuar continuamente em
temperaturas tão altas quanto 200 e tão baixas quanto -40 .
10
3.3. Seleção de materiais
Neste trabalho, os corpos de mancais serão injetados sobre as buchas já prontas e
serão utilizados dois polímeros diferentes neste processo. Primeiramente, a bucha será
injetada em um molde e após o resfriamento e término do ciclo, ela será introduzida em
outro molde onde o corpo do mancal será injetado e moldado ao seu redor.
Como dito anteriormente, para o correto funcionamento da peça, os polímeros
utilizados devem ser incompatíveis, ou seja, não pode ocorrer aderência e fusão entre
eles durante o processo de moldagem. A seleção de materiais incompatíveis é
fundamental, pois permite que a bucha gire dentro do corpo do mancal. A Figura 6
mostra a compatibilidade existente entre diferentes plásticos.
Figura 6 – Compatibilidades entre diversos polímeros. [7] (Adaptado)
De acordo com a Figura 6, os plásticos selecionados foram o polipropileno e a
ABS. Suas características principais serão comentadas abaixo.
O polipropileno ou PP possui baixa densidade e um bom equilíbrio de
propriedades, acompanhadas de resistência mecânica moderada. Possui baixo custo,
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baixa absorção de umidade, boas características térmicas e elétricas e elevada
resistência química, não sendo atacado pela maioria dos agentes químicos. Uma de suas
desvantagens é a baixa resistência aos raios UV, assim, este material foi selecionado
para a bucha, uma vez que o corpo do mancal a protegerá das intempéries.
A acrilonitrila butadieno estireno ou ABS é muito utilizada em situações que
necessitam de boa resistência ao impacto. Além disto, possui elevadas tenacidade e
rigidez, resistência química moderada, baixa absorção de umidade e um bom equilíbrio
entre as propriedades térmicas, mecânicas e elétricas. É resistente a agentes comuns no
meio industrial, como agentes alcalinos, ácidos aquosos, alcoóis e óleos vegetais,
minerais e animais. Por suas características de resistência ao impacto e por seu bom
aspecto visual, a ABS é um dos plásticos mais indicados para a produção de carcaças de
eletrodomésticos. Este material foi selecionado para o corpo do mancal por seu conjunto
de propriedades físico-químicas aliadas a sua resistência a impactos, elevando a
resistência dos mancais e os tornando mais seguros.
3.4. Dimensão e formato dos elementos
O mancal apresentado neste projeto não foi projetado para uma aplicação
específica. Suas dimensões e características gerais foram baseadas em mancais
poliméricos já existentes para utilizações em casos comuns da indústria.
Como o elemento será fabricado com o processo de sobreinjeção, este mancal
polimérico a dispensa montagem das partes e a necessidade de verificação da folga. A
contração do material durante o resfriamento faz com que as peças atinjam o nível de
contato desejado.
Uma situação com um eixo de diâmetro de 16 mm foi escolhido por ser um
tamanho suficientemente grande para expor as peculiaridades deste tipo de construção e
por ser um diâmetro comumente utilizado na indústria.
O formato do mancal deste projeto busca a criação de um elemento altamente
resistente a movimentos e a cargas lineares. Outros formatos podem ser projetados para
aplicações diversas, por exemplo, buchas com formatos de elipsoides podem ser
vantajosas para amortecer oscilações e buchas cilíndricas sem abas podem permitir a
troca destas peças com a reutilização do corpo do mancal.
Abaixo, podem-se observar as dimensões gerais das buchas (Figura 7) e dos
corpos de mancal (Figura 8) após a moldagem. A ilustração do corpo de mancal sem as
buchas (Figura 8) é apenas ilustrativa, a bucha não poderá ser separada do mancal sem a
deformação e destruição do elemento.
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Figura 7 – Desenhos com as dimensões da bucha moldada e resfriada.
(a)
(b)
Figura 8 – Desenhos frontal (a) e lateral (b) em corte com as dimensões dos corpos de
mancal moldados e resfriados.
3.5. Contração dos polímeros
As peças injetadas possuem dimensões menores do que as dos moldes onde
foram moldadas após serem resfriadas e entrarem em equilíbrio térmico com a
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temperatura ambiente. Essa diferença nas dimensões é chamada de contração ou
encolhimento.
A contração é uma característica dos polímeros ao serem resfriados, por isso, os
moldes devem ser pensados e fabricados com dimensões maiores do que as desejadas
para as peças finais, levando-se em consideração os coeficientes de encolhimento dos
plásticos utilizados.
Essa propriedade é volumétrica, ou seja, todas as dimensões da peça sofrem
alterações de acordo com o coeficiente de contração do polímero. No caso deste
trabalho, as contrações dos materiais variam de: 1 a 2% para o polipropileno e 0,4 a
0,6% para a ABS. [8]
A geometria das peças também sofre pequenas alterações ao ser comparada com
a dos moldes. Mudanças podem ser feitas no desenho do molde para reduzir estas
alterações geométricas em casos onde pequenos desvios angulares e lineares gerariam
falha no funcionamento ou na montagem do elemento moldado. Para as peças deste
projeto, as pequenas mudanças na geometria não acarretam problemas no
funcionamento do mancal.
3.6. Massa injetada por ciclo de injeção
Os moldes deste trabalho são alimentados por canais quentes, assim, não existe a
parcela a ser calculada para o volume de polímero solidificado em dutos de alimentação.
Ou seja, a máquina injetora precisa injetar apenas a quantidade de plástico necessária
para preencher as cavidades dos moldes.
De acordo com a contração dos materiais plásticos explicada no tópico anterior,
foram utilizados os seguintes valores médios para os coeficientes de encolhimento dos
polímeros: 0,5% para a ABS e 1,5% para o PP. Como dito anteriormente, a bucha será
fabricada com PP e o corpo do mancal com ABS.
Os volumes de plástico a serem injetados são de 3,19 cm³ para cada bucha e de
11,75 cm³ para cada corpo de mancal.
As simulações feitas no software Moldflow serão detalhadas no capítulo 5.
Porém, de acordo com os dados obtidos nessas simulações para as injeções, as
densidades nas temperaturas de injeção são: 0,74 g/cm³ para o PP e 0,94 g/cm³ para a
ABS. Duas peças serão moldadas por ciclo em ambos os processos.
Assim, as massas injetadas por ciclo são:
14
3.7. Sequência de montagem
A fabricação dos mancais projetados neste trabalho deve seguir uma sequência
de operações de modo a produzir um elemento final com desempenho adequado.
De modo simplificado, a sequência a ser seguida é: fabricação das buchas no
molde das buchas, extração das peças pelos pinos extratores, retirada das rebarbas pelo
operador, introdução das buchas preparadas nas cavidades do molde dos mancais pelo
operador, sobreinjeção dos corpos de mancal e, após o resfriamento, a extração da peça
final pelos pinos extratores do molde.
A retirada de rebarbas das buchas feita de forma adequada é de extrema
importância, pois garante o movimento uniforme do mancal.
3.8. Cálculo estimado da folga
O movimento relativo entre bucha e corpo de mancal depende da não adesão dos
materiais e da existência de uma folga entre as partes. Essa folga aumenta a vida útil do
elemento, reduzindo o coeficiente de atrito e o desgaste.
Os valores de contração utilizados nesta análise da folga são: 1% para a bucha e
0,5% para os corpos de mancal. O cálculo estimado da folga será realizado na porção
externa central das buchas, onde ocorre a maior parcela de contato entre os elementos.
A bucha possui um diâmetro externo de 20 mm quando em temperatura
ambiente, considerando essa alteração de 1%, o diâmetro atinge cerca de 20,2 mm
quando a peça está aquecida. O corpo de mancal é injetado sobre a bucha aquecida,
assim, se contrai de 20,2 mm até cerca de 20,1 mm.
Através dessa análise, pode-se estimar uma folga de 0,05 mm entre os elementos
dos mancais poliméricos desenvolvidos neste trabalho.
15
4. Máquina injetora
A injetora deve ser selecionada de modo que as propriedades desejadas para a
injeção possam ser realizadas. Ou seja, a máquina deve ser capaz de atingir as pressões
de fechamento e de injeção, além de injetar o material na quantidade e na velocidade
necessárias para a correta fabricação das peças.
Para este projeto, foi selecionada a injetora ROMI EL 75 (Figura 9) com
parafuso de diâmetro 25 mm, capaz de injetar até 54 cm³ de plástico por ciclo.
Figura 9 – Máquina injetora ROMI EL 75. [9]
Tabela 1: Especificações da máquina injetora de acordo com o catálogo [9].
Com os dados do catálogo da injetora ROMI EL 75 e dos livros [6] e [8], foram
calculados os parâmetros apresentados nos próximos tópicos deste capítulo.
4.1. Capacidade de injeção (Ci)
A capacidade de injeção é a quantidade máxima de massa que pode ser injetada
a cada ciclo. É apresentada na maioria dos catálogos como a capacidade de injeção para
o poliestireno (PS), assim, deve ser convertida para os plásticos utilizados. Os cálculos
seguem a seguir.
Força de fechamento do molde 75 t
Volume máximo de injeção 54 cm³
Peso máximo de injeção [PS] 50 g
Pressão máxima de injeção 2800 bar
Razão de injeção 147 cm³/s
Velocidade de injeção 300 mm/s
Capacidade de plastificação 6 g/s
16
Onde:
é o peso específico;
f é o fator volumétrico;
e A corresponde ao material utilizado.
Assim, as capacidades de injeção nominais para PP e para ABS são:
Estas capacidades são superiores às necessárias para injetar as peças deste
projeto. Para evitar problemas com contrações diferenciais causadas pela variação da
pressão e para não se operar com baixas eficiências, é recomendado que a capacidade de
injeção durante o processo não supere 80% da capacidade nominal de injeção da
máquina. Na operação mais intensa deste projeto, a moldagem dos corpos de mancal, a
massa a ser injetada é de 22,5 g, esta operação utiliza 42% da capacidade nominal de
injeção.
4.2. Capacidade de plastificação (Cp)
Esta medida é a quantidade de material que a injetora é capaz de levar à
temperatura de moldagem por unidade de tempo. Da mesma forma que a capacidade de
injeção, a capacidade de plastificação também possui como referência o PS,
necessitando ser convertida aos plásticos utilizados em cada operação. Os cálculos
seguem abaixo.
Onde:
c é o calor específico;
T é a temperatura de moldagem;
e A corresponde ao material utilizado.
Assim, as capacidades de plastificação nominais para PP e para ABS são:
17
Da mesma forma que no tópico anterior, a recomendação para esta medida é não
ultrapassar 80% da capacidade nominal de plastificação da injetora para se alcançar
boas eficiências. Assim, as capacidades máximas de plastificação durante a operação
são de 5,6 g/s para PP e de 4,9 g/s para ABS. Com as massas necessárias para cada
processo, podem-se obter os intervalos mínimos de tempo necessários para elevar as
quantidades de plástico requeridas até as temperaturas de moldagem. Estes intervalos
são de 0,84 s para o ciclo das buchas e de 4,63 s para o ciclo dos corpos de mancal.
4.3. Pressão de injeção (Pinj)
É a pressão realizada pela máquina para injetar o material plástico dentro do
molde. A pressão de injeção depende da espessura da peça a ser moldada, da
temperatura do polímero e da facilidade de fluxo do material utilizado. Seções mais
finas requerem maiores pressões de injeção para serem preenchidas.
A partir das análises feitas no Moldflow, que serão detalhadas no capítulo 5, a
pressão de injeção para o processo de moldagem das buchas foi de 19,2 MPa e para a
moldagem dos corpos de mancal foi de 29,7 MPa.
4.4. Força de fechamento (F)
A força de fechamento controla a área máxima de moldagem que pode ser
produzida. A máquina injetora exerce uma força no interior do molde durante a injeção,
assim, uma força de fechamento se faz necessária para manter as placas do molde
fechadas. Esta carga pode ser estimada por:
Onde A corresponde à área projetada das cavidades.
Assim, as forças de fechamento para os processos de injeção de PP e ABS são:
As equações acima são aproximações onde a pressão máxima atua
uniformemente na área das cavidades. Porém, a pressão sofre variações e perdas de
carga entre o bico da injetora e o preenchimento das cavidades e varia conforme o
18
escoamento do plástico. Os valores encontrados pelo Moldflow para as forças de
fechamento são 0,6 t para o processo de moldagem das buchas e 1,2 t para o processo de
moldagem dos corpos de mancal. Valores bem abaixo do limite da injetora.
19
5. Projeto dos moldes
As primeiras considerações a serem feitas quando se projeta um molde definem
tamanho, geometria e tolerâncias desejadas para as peças, além do número de
cavidades, sistema e pontos de injeção, elementos de extração, necessidade de insertos
metálicos e outras particularidades. O projeto do molde deve ser pensado de modo que
seu foco não seja apenas produzir peças com as geometrias e tolerâncias desejadas, o
projeto deve buscar a redução de possíveis defeitos do processo.
5.1. Número de cavidades
A escolha do número de cavidades envolve a geometria e o valor da peça, os
recursos a serem investidos para adquirir e manter o molde e o volume de produção
necessária. Um número maior de cavidades consegue produzir um lote de peças mais
rapidamente, mas os custos de operação e do molde serão consideravelmente maiores ao
serem utilizadas ferramentas de múltiplas cavidades.
Os dois moldes foram pensados para injetarem em duas cavidades por ciclo.
Esse número par de cavidades permite uma maior simetria e equilíbrio das forças
durante o processo.
5.2. Seleção das peças
As peças selecionadas para os moldes deste projeto são peças padronizadas da
Polimold. Devido às características das peças, os cálculos foram realizados para
suportarem o processo mais exigente mecanicamente, o processo de fabricação dos
corpos de mancal. Se os cálculos validarem o suporte das cargas pelos componentes
neste processo, o mesmo será válido para a operação de injeção das buchas. Os porta
moldes escolhidos foram os de duas placas.
Tendo o tipo de porta molde, o próximo passo é a definição do tamanho dos
moldes. A máquina injetora ROMI EL 75 pode ser utilizada com moldes maiores do
que 310 mm x 310 mm, com isso, as placas de molde de 346 mm x 346 mm feitas de
aço SAE 1045 atendem aos requerimentos da injetora e das peças a serem moldadas. A
partir do tamanho do molde, a Polimold disponibiliza, em seu catálogo, as dimensões de
outros componentes. Abaixo foram realizados os cálculos para se verificar a adequação
destes.
Para os cálculos de resistência dos calços, pode ser utilizada a equação de viga
bi-apoiada [6]:
Onde:
S é a razão entre tensão admissível pelo material e fator de segurança;
20
W é a carga máxima que pode ser suportada pelo calço;
L é a distância entre os calços, que é igual a 258 mm de acordo com o catálogo;
e Z é o módulo da seção que resiste à flexão.
O aço SAE 1045 possui S = 560 MPa e um fator de segurança FS = 5 foi
utilizado.
Assim:
Conforme os manuais de engenharia:
Onde:
I é o momento de inércia da seção;
c é a distância máxima da linha neutra;
b é o comprimento da placa suporte;
e h é a altura da placa suporte.
Com os valores de S e Z, podemos calcular a carga máxima W:
Assim, podemos verificar que a placa suporte resiste à flexão gerada pela força
máxima atingida pelas operações (356,4 kN) calculada no capítulo 4.
A área mínima de compressão em cada calço pode ser estimada por:
E largura mínima dos calços pode ser estimada por:
De acordo com o catálogo, os calços possuem 43 mm de largura. Dessa forma, a
placa suporte e os calços suportam com folga as cargas atuantes no molde em ambos os
processos de injeção.
21
5.3. Câmara quente
Para este projeto, o sistema de câmara quente foi selecionado. Este sistema é
formado por um bloco distribuidor (Manifold), buchas quentes montadas com ponteiras
e caixa de conexão térmica. Os canais de distribuição passam por dentro destes
componentes e levam o plástico fundido diretamente até as cavidades.
Este sistema permite um melhor aproveitamento do material, uma vez que a
perda em canais de plástico solidificado é praticamente eliminada. Além disto, o tempo
do ciclo é reduzido com a retirada da parcela de tempo gasta para refrigerar os canais de
alimentação.
Outras vantagens dos sistemas de câmara quente são: maior flexibilidade do
projeto do molde, o que permite projetos mais simples e compactos, melhor acabamento
e propriedades mecânicas das peças e menores pressões de injeção.
O sistema de câmara quente da Polimold pode ser convencional, que foi
escolhido para este projeto, ou valvulado, que pode ser utilizado quando se deseja
aumentar a produtividade e qualidade dos produtos.
Os distribuidores selecionados foram o Manifold Standard com duas saídas da
empresa Polimold (Figura 10). O Manifold selecionado possui 100 mm entre os pontos
de injeção e pode ser utilizado com buchas quentes das séries 50, 200 e 500 da
Polimold. [10]
Figura 10 – Manifold Standard | Single 2 Vias. [10]
Os componentes do sistema de alimentação foram selecionados a partir dos
catálogos [10] e [11] da Polimold. Os códigos dos elementos e as justificativas estão
apresentados a seguir.
Manifold – Manifold Standard | Single 2 vias com código: FMI10100;
22
Anel de centragem – O anel de centragem deve ser compatível com as
dimensões do bico da máquina injetora. Anel de Centragem Tipo “A” (com Flange)
com código: ACP 20 125 - 16 24 / A;
Bucha acopladora – A bucha acopladora deve ser compatível com as
dimensões da máquina injetora e do anel de centragem. Bucha Acopladora de código:
BAPR1010;
Anel de vedação da bucha acopladora – Este anel deve ser compatível com as
dimensões bucha acopladora selecionada. Anel de Vedação da Bucha Acopladora de
código: AVP 08020;
Buchas quentes - As buchas devem ser escolhidas de acordo com o material e
com a quantidade de massa a ser injetada em cada cavidade. As buchas da série 50 e
linha POLIMAX são indicadas para a injeção de peças com materiais de engenharia
com até 30 g. Buchas Quentes de código: BIX05035-B;
Resistência tubular – As resistências tubulares são selecionadas de acordo com
as buchas quentes escolhidas. Resistência tubular de código: RBP05025-A;
Ponteiras – As ponteiras utilizadas nas buchas quentes devem ser compatíveis
com o material injetado. As ponteiras de fluxo direto foram escolhidas, pois são
indicadas para injeções de PP e de ABS. Ponteiras de código: PID05008-A;
Anéis de vedação das buchas quentes – Estes anéis são selecionados de acordo
com as dimensões das buchas quentes utilizadas. Anéis de vedação da Bucha Quente de
código: AVP05016-A;
Termopares – Seguindo o sistema métrico, os termopares selecionados
possuem o código: ETC 0252;
Suporte central – O suporte central deve ser selecionado de acordo com as
dimensões existentes entre o Manifold e a placa porta cavidade superior. Assim, o
suporte selecionado possui código: SCP10265. Para este tipo de suporte, são utilizados
parafusos M6 (DIN912) e centralizador código: PLP10210;
Suporte superior – O suporte superior deve ser selecionado de acordo com as
dimensões existentes entre o Manifold e a placa superior. O suporte selecionado possui
código: SSP10310. Neste tipo de suporte, parafusos M6x12 (DIN7991) são utilizados.
5.4. Postiços e gavetas
As cavidades podem ser usinadas diretamente nas placas do molde ou usinadas
em postiços que serão inseridos nas placas do molde. A construção das cavidades do
molde em postiços facilita a usinagem e torna possível alcançar tolerâncias mais rígidas.
Os projetos de postiços podem apresentar canais de refrigeração e recortes onde podem
ser introduzidos anéis de vedação e furos por onde os pinos extratores e as buchas
quentes do sistema de alimentação podem passar.
23
A utilização de postiços reduz o custo do molde, permite a utilização de
materiais mais nobres apenas onde são necessários, o recebimento de tratamentos
térmicos independentemente das placas do molde e a substituição em casos de avaria ou
desgaste. Neste projeto, os postiços são feitos de aço SAE 1045.
Devido às geometrias das peças, será necessária a utilização de gavetas. O uso
desse elemento é indicado para peças com rasgos, furos e outros detalhes internos e
externos que seriam incapazes de serem feitos sem as gavetas. O acionamento das
gavetas pode ser realizado por pinos, molas, cunhas e pistões. O acionamento por pinos
foi escolhido para este projeto por sua automação mecânica, onde os próprios
movimentos de abertura e fechamento dos moldes afastam e aproximam as gavetas.
Os pinos escolhidos para o acionamento das gavetas são da empresa Tecnoserv e
possuem o código CNA-0808. [12]
5.5. Simulações das injeções
O software Moldflow permite a simulação de injeções poliméricas. Este
software foi utilizado para se obter valores para os parâmetros das injeções mais
próximos da realidade. Além disso, ele permite a visualização de diferentes tipos de
análise, como, por exemplo, perfil de temperatura durante a injeção, perfil de pressão de
preenchimento, surgimento de bolhas de ar, marcas de solda e qualidade de
resfriamento.
Os dados completos das simulações podem ser vistos no Anexo A. Essas
simulações possibilitam um melhor entendimento do processo, além de permitir a
visualização de possíveis erros.
5.6. Refrigeração das peças
Os plásticos injetados serão resfriados com água através dos canais de
refrigeração dos moldes. Esse resfriamento reduz a temperatura das peças até um ponto
de solidificação suficientemente rígido para permitir suas extrações.
As tubulações dos canais de refrigeração são ligadas às entradas e às saídas dos
moldes por meio de tubulações flexíveis. A água aquecida pela refrigeração do molde
pode ser jogada fora ou reutilizada através de um tanque de resfriamento ou torre.
5.6.1. Tempo de resfriamento
A intensidade da transferência de calor determina o tempo de resfriamento
necessário. A velocidade de redução da temperatura da peça deve ser adequada para se
obter produtos com as propriedades desejadas.
Alguns métodos podem ser utilizados para se estimar o tempo necessário para o
resfriamento de uma peça dependendo de sua espessura, geometria e material. Neste
24
projeto, para se obter intervalos mais fidedignos com a realidade, foram utilizadas
estimativas oriundas das análises do Moldflow.
A Figura 11 apresenta as estimativas dos intervalos para os ciclos de injeção das
peças de acordo com as simulações feitas no Moldflow.
(a)
(b)
Figura 11 – Tempos de ciclo: (a) injeção das buchas e (b) injeção dos corpos de
mancal.
5.6.2. Cálculo dos resfriamentos com água
Para calcular o fluxo de água necessário para resfriar as peças, foram utilizados
os dados de temperatura vindos das análises do Moldflow e se considerou que os
polímeros transferiram calor exclusivamente para o fluido refrigerante.
25
As simulações das injeções feitas no Moldflow geram os seguintes dados de
temperatura:
Temperatura de injeção do PP: 220
Temperatura do molde das buchas: 50
Temperatura de desmoldagem das buchas: 124
Temperatura de injeção da ABS: 230
Temperatura do molde dos mancais: 60
Temperatura de desmoldagem dos mancais: 88
Com estes dados e com os métodos presentes em [6], pode-se calcular o calor
cedido pelas peças nas cavidades por:
çã
Onde:
é o calor cedido pelo plástico;
m é a massa de plástico injetada por ciclo;
h é a entalpia específica do material a uma dada temperatura;
é o tempo para se concluir um ciclo de injeção;
e A é o material.
Com as aproximações para os intervalos de refrigeração dos ciclos feitas nas
simulações do Moldflow e utilizando os valores típicos para os conteúdos totais de calor
dos materiais plastificados: [6]
Com os valores para os calores cedidos pelos plásticos, pode-se calcular a vazão
de água necessária para a refrigeração das peças por: [6]
Onde:
26
é a vazão de água que circula pelos canais de refrigeração;
k é a constante que considera a construção dos canais de resfriamento. Para
canais perfurados na placa da cavidade ou nos núcleos machos, esta constante vale 0,64;
c é o calor específico da água;
e é a diferença entre as temperaturas de entrada e saída da água no molde.
Em geral, esta diferença costuma variar entre 2 e 5 . O valor de 2 foi escolhido.
Onde:
é a vazão de água necessária para resfriar as buchas;
é a vazão de água necessária para resfriar os mancais.
5.6.3. Transferência estimada de calor entre os elementos
Durante a sobreinjeção dos corpos de mancal, uma parte da energia térmica da
ABS injetada é transferida para as buchas. Um fator importante a se verificar é o não
derretimento das buchas com essa energia transferida. Como calculado no tópico 5.5.2,
o calor total de cada corpo de mancal é 1912,5 cal. A temperatura média de fusão dos
polipropilenos é cerca de 160 . Com estes dados, com o valor da área do corpo de
mancal em contato com a bucha e a área total do corpo de mancal, é possível estimar as
transferências de calor entre os elementos e entre eles e o molde seguindo os
procedimentos encontrados em [6].
Onde:
é o calor necessário para elevar a temperatura das buchas de 60
(temperatura do molde dos corpos de mancal) até 160 ;
é o calor necessário para alterar o estado físico da bucha de sólido para
líquido;
m é a massa da bucha;
27
Cp é o calor específico do polipropileno;
é a diferença de temperatura;
e L é o calor latente do polipropileno.
Considerando uma aproximação conservadora para a transferência de calor em
relação às áreas de contato adquiridas através dos desenhos das peças entre corpo de
mancal e bucha e entre corpo de mancal e molde:
Área de contato entre corpo de mancal e bucha: 1380 mm²
Área de contato total do corpo de mancal: 8810 mm²
Relação entre as áreas de contato do corpo de mancal =
Com a relação das áreas, apenas 15,7% do calor cedido pelo corpo de mancal
seria absorvido pela bucha, ou seja, cerca de 300 cal. Utilizando o valor calculado para
o calor cedido pelo corpo de mancal de 63,8 , seriam necessários 4,7 segundos
para o corpo de mancal transferir essa energia para a bucha. Essa quantidade de calor
seria suficiente para fundir uma porção da bucha, porém, a bucha também troca calor
com o molde. Como as temperaturas dos moldes são próximas, o valor obtido para a
troca de calor no processo de moldagem da bucha será utilizado com uma aproximação
conservadora de 80% do valor calculado. O mesmo procedimento de transferência de
calor através das relações das áreas foi aplicado abaixo:
Área de contato total da bucha: 2924 mm²
Relação entre as áreas de contato da bucha =
Assim, cerca de 85 seriam transferidas da bucha para o molde. Essa
transferência seria capaz de ceder 300 cal em 3,5 segundos. Esses cálculos estimados
para a troca de calor nos permitem verificar o não derretimento das buchas durante a
sobreinjeção dos corpos de mancal.
5.6.4. Projeto dos canais de refrigeração
Seguindo as recomendações de [6] para refrigeração com água, os canais de
refrigeração possuem 12 mm de diâmetro. Visando uma troca de calor mais uniforme,
os sentidos dos fluxos nos canais de refrigeração das placas 1 e 2 devem ser contrários.
Dessa forma, as possíveis deformações causadas por velocidades de resfriamento
diferentes ao longo da peça diminuem. Para as simulações no Moldflow, foram
utilizadas vazões de 10 de água para ambas as injeções.
Conectores e tampões com anéis de vedação conectam e vedam as tubulações de
refrigeração. Os elementos escolhidos são da fabricante Bru y Rubio e estão
especificados abaixo de acordo com os catálogos [13] e [14] da mesma.
28
Plug macho – Cód.: BR82/6/ R1/8. São plugs machos para montagem com
engates rápidos.
Tampão – Cód.: TCR-12. São tampões de fácil montagem e desmontagem,
feitos de FPM (Viton) e podem ser utilizados em circuitos com temperaturas de até 180
.
5.7. Sistema extrator
As peças moldadas neste projeto possuem formas internas, assim, a contração do
material durante o resfriamento se dará sobre os machos. Em casos onde isto ocorre,
faz-se necessária a utilização de um sistema de extração efetivo.
O sistema de extração por placa impulsora desloca os elementos de extração por
meio de uma placa acionada pela máquina injetora. Os elementos extratores são
instalados nesta placa e exercem a força necessária para retirar a peça do molde.
Os elementos extratores selecionados são pinos de extração. O sistema de
extração por pinos é o mais utilizado por sua simplicidade de instalação e operação.
Neste sistema, a peça é extraída pela aplicação de uma força feita por uma ou mais
barras cilíndricas chamadas pinos extratores. Após a extração, a placa impulsora e os
pinos retornam à posição original por meio dos pinos de retorno.
A extração por pinos pode deixar marcas na superfície da peça e causar
distorções na peça ainda quente. Para minimizar estes efeitos, devem ser utilizados
tantos pinos quanto possível, tão largos quanto possível e a aplicação da força deve
empurrar a peça uniformemente, retirando-a da cavidade do molde de maneira suave e
sem distorções.
Harada em [6] recomenda uma superfície de contato total de 6 cm² de pinos
extratores para cada 600 cm² de área de contato lateral. Esta recomendação empírica
aplicada a este projeto gera os seguintes cálculos:
Área de contato lateral das buchas 300 mm²
Área mínima de pinos extratores para as buchas 3 mm²
Área de contato lateral dos mancais 1500 mm²
Área mínima de pinos extratores para os mancais 15 mm²
Com a utilização de 2 pinos para a extração de cada bucha e 4 pinos para cada
mancal, o diâmetro mínimo para cada pino é:
Diâmetro mínimo dos pinos extratores para as buchas = mm
Diâmetro mínimo dos pinos extratores para os mancais = mm
29
Os elementos do sistema extrator são da fabricante Polimold e estão
especificados abaixo de acordo com as recomendações de feitas por [6]. Os catálogos
[10], [15] e [16] da Polimold foram utilizados para recomendações de seleção e códigos.
Pinos extratores com 2,5 mm de diâmetro e 150 mm de comprimento,
reduzidos a 131,34 mm para instalação nos porta moldes – Cód.: 2,5x150A;
Pinos de retorno com 14 mm de diâmetro e 150 mm de comprimento,
reduzidos a 142 mm para instalação nos porta moldes – Cód.: 14x150A;
Placa porta extratores de espessura 17 mm onde serão usinados os furos para
acomodar os pinos – Cód.: CPE34634601716;
Placa extratora de espessura 22 mm – Cód.: PE34634602211;
Parafuso de cabeça cilíndrica com sextavado interno para fixação das placas
– M8x30 DIN 912;
Encosto padrão – Cód.: EP1A;
Parafuso de cabeça escareada com sextavado interno para fixação do encosto
padrão – M6x12 DIN 7991.
5.8. Ventilação
Como dito anteriormente, os canais de saída de ar possibilitam a saída dos gases
que se encontram no interior das cavidades do molde. Esta retirada de gases é necessária
para não perturbar o fluxo do material injetado e para evitar defeitos nos produtos
moldados.
A saída de ar pode ser realizada por canais usinados na linha divisória entre as
placas do molde e nos postiços, estendendo-se desde a cavidade até o exterior do molde
e por aberturas feitas ao redor dos pinos extratores. [6]
Neste projeto, seguindo os resultados encontrados nas análises do Moldflow, a
saída de ar será feita por aberturas de 0,05 mm feitas ao redor dos pinos extratores.
30
6. Conclusão
O presente trabalho desenvolveu o projeto dos moldes para a fabricação de
mancais de deslizamento poliméricos a partir da moldagem por injeção com dois
materiais incompatíveis. Para se construir um mancal polimérico com baixo fator de
atrito, são necessários experimentos reais entre os materiais. Buscando um resultado
inicial geral, foram utilizados valores médios para o PP e a ABS, dois materiais não
aderentes para permitirem o movimento relativo entre bucha e corpo.
A fabricação destes mancais conta com a injeção do corpo do mancal sobre as
buchas. Com isso, foi selecionada uma máquina injetora comum que fosse capaz de
realizar ambas as injeções, o projeto pode sofrer pequenas alterações caso outra
máquina seja utilizada.
Porta moldes de duas placas e sistema de câmara quente foram selecionados.
Este sistema traz consigo vantagens para o acabamento e para a extração das peças,
fatores importantes na fabricação de mancais. O projeto dos moldes foi realizado
seguindo as recomendações dos autores citados. Com estas recomendações foi possível
calcular os sistemas de extração e de resfriamento necessários para cada moldagem.
Este trabalho possui como foco o projeto dos moldes, não desenvolvendo a
fabricação e usinagem das placas, gavetas e postiços necessários nem os procedimentos
para retirar possíveis rebarbas das buchas e preparo para injeção dos corpos de mancal.
Foram utilizados elementos padronizados já existentes e acessíveis de modo a facilitar a
instalação e manutenção do sistema. Trabalhos futuros podem utilizar os moldes e
parâmetros desenvolvidos neste projeto para abordar a fabricação dos postiços e
cavidades e estudar experimentalmente as interações entre diferentes plásticos e os
efeitos no coeficiente de atrito entre bucha e corpos de mancal.
Este projeto de moldagem por injeção, incluindo o desenvolvimento dos moldes,
com cálculos estruturais e de operação, possui diversas características que podem ser
utilizadas em outros trabalhos de mesmo tipo.
31
7. Bibliografia
[1] BETAEQ. Disponível em:
<http://betaeq.com.br/index.php/2016/04/20/processos-injecao-x-extrusao-de-
polimeros/>. Acesso em: 04 jan. 2017.
[2] TUDO SOBRE PLÁSTICOS. Disponível em:
<http://www.tudosobreplasticos.com/processo/injecao.asp>. Acesso em: 06 jan. 2017.
[3] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE FERRAMENTAS. Disponível em:
<http://www.abfer.com.br/wp-
content/uploads/2016/02/11_Manual_de_Injecao_inova.pdf>. Acesso em: 06 jan. 2017.
[4] GROOVER, M. P., Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials,
Processes, and Systems. 4th Edition. Wiley, 2010.
[5] MOLDES INJEÇÃO PLÁSTICOS. Disponível em:
<http://www.moldesinjecaoplasticos.com.br/sistemascamarasquentes.asp>. Acesso em:
06 jan. 2017.
[6] HARADA, J. Moldes para Injeção de Termoplásticos: Projetos e Princípios
Básicos. 1ª ed. São Paulo, SP: Artliber, 2004.
[7] PLASTICS DECORATING. Disponível em:
<http://www.plasticsdecorating.com/images/OctNov09/OctNov09_Figure2_Chart.gif>.
Acesso em: 11 jan. 2017
[8] SORS, L. Plásticos Moldes e Matrizes. 1ª ed. Curitiba, PR. Hemus, 2002.
[9] ROMI. LINHA ROMI EL. Disponível em:
<http://www.romi.com/wp-content/uploads/2016/01/JOB-
73_cat_romi_el_port_ab_082016_bx.pdf>. Acesso em: 11 jan. 2017.
[10] PRIVARSA. CATÁLOGO DE CÂMARA QUENTE – POLIMOLD.
Disponível em:
<http://www.privarsa.com.mx/Files/Downloads/180/COLADA%20CALIENTE%20_.p
df>. Acesso em: 23 jan. 2017.
[11] POLIMOLD. POLIMAX SÉRIE 50. Disponível em:
<http://www.polimold.com.br/downloads/serie_50_polimax.pdf>. Acesso em: 23 jan.
2017.
[12] TECNOSERV. COLUNA DE ARRASTE. Disponível em:
<http://www.tecnoserv-moldes.com.br/produtos/acessorios-para-moldes/acm-pecas-de-
movimento/coluna-de-arraste-pino-came-cna/>. Acesso em: 31 jan. 2017.
32
[13] BRU Y RUBIO. PLUG MACHO BR82. Disponível em:
<http://www.byrcomponentes.com.br/v2/DownloadPDF.aspx?file=Plug_Macho_BR82
>. Acesso em: 23 jan. 2017.
[14] BRU Y RUBIO. TAMPÃO TCR. Disponível em:
<http://www.byrcomponentes.com.br/v2/DownloadPDF.aspx?file=Tampao_TCR>.
Acesso em: 23 jan. 2017.
[15] POLIMOLD. CATÁLOGO DE EXTRATORES. Disponível em:
<http://www.polimold.com.br/downloads/extratores/catalogos_extratores_web.pdf>.
Acesso em: 26 jan. 2017.
[16] POLIMOLD. CATÁLOGO DE COMPONENTES DE MOLDES. Disponível
em:
<http://www.polimold.com.br/downloads/porta_molde/componentes_moldes/componen
tes_moldes.pdf>. Acesso em: 26 jan. 2017.
33
Anexo A – Análise dos processos de injeção pelo Moldflow
Dados da análise da injeção das buchas:
34
Dados da análise da injeção dos mancais:
35
Anexo B – Catálogos dos fabricantes
36
37
38
39
40
41
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44
45
46
47
48
49
2
1
3
4
6
5
7 8 9 11 12
13
10
14 15 16 17
19
20
21222324
18
252627
Prof. José Stockler
Item
Conjunto do Molde - Buchas
Projeto Final de Eng. Mecânica
Data: 09/02/2017
Rodrigo Cota da Rocha
UFRJ Unidade: mm
Escala 1:8
Descrição CódigoQuant.ISO 47624Parafuso Allen M12x1401
2 Anel Centralizador1
ACP20125-1624/A3 Placa Base Superior
1PBB3463460361AS
4 Espaçador Superior 2 E3463460761AFMI101001Manifold5
6 Coluna Guia 4 C22046046PC34634604611Placa 1 7
8 Gaveta 2 -CNA-08082Coluna de Arraste9
10 Tampão 2 TCR-12
B220464
Bucha Guia1112
Plug Macho4
BR82/6/R1/8Placa Suporte
13
1
PS34634604614ACPE34634601711
1Contra Placa Extratora
141516
Espaçadores InferioresPlaca Extratora
1
2 E3463460761APE34634602211
PB34634603611AI1Placa Base Inferior17
19 Parafuso Allen M12x200 4 ISO 4762DIN 79914Parafuso M6x1220
21 Encosto Padrão 4 EP1A
Placa 2 PC34634604614
1
18
22 Parafuso M8x30 4 ISO 476214x150A4Pino de Retorno23
24 Pino Extrator 4 2,5x150AISO 47622Parafuso M4x1025
-2Porta Coluna de Arraste2627 Bucha Quente 2 BIX05035-B
28
29
30
31
3332
36 37 38
34
39 40 41
42
46
43 44 45
47
48
35
52
5355
49
50
54
51
Prof. José Stockler
Item
Conjunto do Molde - Mancais
Projeto Final de Eng. Mecânica
Data: 09/02/2017
Rodrigo Cota da Rocha
UFRJ Unidade: mm
Escala 1:8
Descrição CódigoQuant.ISO 47624Parafuso Allen M12x14028
29 Anel Centralizador1
ACP20125-1624/A30 Placa Base Superior
1PBB3463460361AS
31 Espaçador Superior 2 E3463460761AFMI101001Manifold32
33 Coluna Guia 4 C22046046PC34634604611Placa 1 34
35Gaveta
2
-CNA-08082Coluna de Arraste
3637
Tampão
2
TCR-12
B22046
4
Bucha Guia
3839
Plug Macho
4
BR82/6/R1/8Placa Suporte
40
1
PS34634604614ACPE34634601711
1Contra Placa Extratora
414243
Espaçadores Inferiores
Placa Extratora
1
2
E3463460761A
PE34634602211
PB34634603611AI1Placa Base Inferior44
46
Parafuso Allen M12x200 4 ISO 4762
DIN 79914Parafuso M6x124748
Encosto Padrão 4 EP1A
Placa 2 PC34634604614
1
45
49Parafuso M8x30 4 ISO 4762
14x150A4Pino de Retorno
5051
Pino Extrator 8 2,5x150A
ISO 47622Parafuso M4x1052-
2Porta Coluna de Arraste5354
Bucha Quente 2 BIX05035-B55
Postiço da Cavidade 4
-