Os estágios de desenvolvimento de um bloco de motor em FoFo vermicular

A combinação de um novo leiaute do molde e dos machos, atentando aos contornos internos do bloco de motor, associada à moldagem e vazamento vertical, tornou possível a construção leve deste componente em ferro fundido vermicular, com espessura de parede fina, elevada resistência e rigidez.

Horst Henkel e Milan Lampic

Data: 10/05/2017

Edição: FS Março 2017 - Ano - 27 No 291

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Fig. 1 O macho intermediário é uma unidade central da montagem do molde, atuando no contorno dos espaços internos do bloco de motor (Imagem: Henkel)

O primeiro bloco de motor para carros de passeio em ferro fundido vermicular (EN-GJV-500) foi produzido em 1992.
A figura 2 apresenta a transformação de um bloco de motor em linha fabricado em ferro fundido cinzento (EN-GJL-250), moldado e fundido na posição horizontal, para um bloco em ferro fundido vermicular, moldado na posição vertical.
Na versão vermicular (figura 2b), os cilindros foram executados com altura menor do que na versão seriada, porém com um diâmetro maior.
Uma construção de saia profunda, com tampas dos mancais principais separadas e moldura de reforço adicional (figura 2a), foi transformada em um modelo com a divisão no centro do virabrequim, previsto com um quadro de mancal (placa base) de elevada rigidez (figura 2b).
A comparação dos dados de desempenho é apresentada na tabela. A redução de 70% da relação peso/potência merece destaque especial.
A ideia foi bem aceita e logo a BMW produziu um bloco de motor V8 para o modelo MW 740 d (figura unidade3), assim como a DAF (fiatuandogura 4) e a MAN (figura 5). Na época, o objetivo era se preparar para a redução das emissões médias de dióxido de carbono (CO2) impostas na Europa.

Fig. 2 O bloco de motor produzido em série, com uma cilindrada e 2,5 L (a), foi alterado para a versão (b). Imagem: Adam Opel

Os cabeçotes de cilindro não são os únicos componentes submetidos a estas exigências.
A dinâmica elevada causada pelo aumento da pressão de ignição submete a caixa do virabrequim a maiores solicitações, provoca a pulsação dos cilindros e a vibração dos mancais.
A figura 6 apresenta o potencial de carga para a pressão de ignição de diferentes materiais para motores de carros de passeio.
O termo compósito refere-se a uma construção combina da de alumínio e ferro fundido cinzento. Segundo os resultados obtidos, o ferro fundido vermicular supera todos os outros materiais.


Particularidades do ferro fundido vermicular

Fig. 3 Bloco de motor produzido no ferro fundido vermicular EN-GJV-500. Nota-se que ele foi moldado e vazado na posição vertical. Imagem: Fundição Fritzwinter.

Os blocos de motor são fabricados com o ferro fundido vermicular perlítico EN-GJV-450 ou EN-GJV-500.
Em virtude do seu potencial de grafitização mais elevado, em comparação com o ferro fundido cinzento, o vermicular é ligado com cobre e um pouco de estanho, caso necessário.
Para este material, que está entre o ferro fundido cinzento e o nodular, é de suma importância que o seu módulo de elasticidade fique mais perto daquele do ferro fundido nodular.
O módulo de elasticidade é uma medida relacionada à rigidez do material, aumentando com a elevação da sua temperatura de fusão.
Tanto o módulo de elasticidade como o ponto de fusão dependem das relações de força-distância dos átomos no cristal.

A ordem de classificação em relação ao módulo de elasticidade entre os materiais de construção é a seguinte:

A comparação destes dados com a ordem de classificação da figura 6 é interessante.
O módulo no ferro fundido vermicular independe da tensão sobre longas distâncias, de maneira semelhante ao ferro fundido nodular. Já o ferro fundido cinzento possui apenas um módulo de elasticidade E ex0trapolado na origem (figura 7).
Com uma temperatura crescente até 500°C, ele cai para o nível do ferro fundido cinzento.
A desoxidação e dessulfuração por magnésio resultam em um aumento da tensão interfacial tanto no ferro fundido nodular como no vermicular. Desta maneira, o material de moldagem fica menos úmido durante o vazamento, o que resulta em uma resistência ao calor. Isso atrasa o começo da solidificação e favorece a formação da microestrutura, como por exemplo, no caso da camisa de cilindro fundida de modo vertical.
Na contrapartida, a posição de vazamento horizontal, utilizando a areia natural (areia de moldagem úmida aglomerada com argila) resulta na redução da tensão interfacial, sob a absorção de oxigênio, assim como em uma maior queima do magnésio da caixa do fundo para a caixa superior.

Fundição vertical

Por que fundir no modo vertical?


Fig. 4 Bloco de motor produzido na liga EN-GJV-450, para um motor de 11 L da DAF. Ele é moldado na posição horizontal e vazado. Imagem: Fundição Fritzwinter.

Por décadas, os blocos de motor de ferro fundido são fabricados em moldes de areia divididos em uma caixa inferior (fundo) e outra superior (tampa).
Devido à sua posição lateral (eixo de cilindro horizontal), é possível formar os contornos externos com areia natural e fabricá-los de modo econômico.
A desvantagem é que a estrutura dimensional da peça fica submetida a fortes forças de sustentação durante o vazamento, afetando especialmente o macho da camisa d ́água, que só pode ser mantido na sua posição com chapelins e colchetes.
As áreas sensíveis do contorno, tais como as paredes de carcaças e cilindros, são previstas com mais algumas soluções, para evitar eventuais medidas abaixo das dimensões especificadas. A consequência é o aumento de peso do componente.
O deslocamento da caixa do fundo para a superior do molde não permitiram nenhuma redução das paredes das carcaças e cilindros.
O fato é que a exigência de um menor consumo de combustível, redução das emissões de gases de descarga e uma maior potência do motor requerem construções leves.
Uma alternativa frequentemente considerada é a substituição do ferro fundido pelo alumínio, cuja densidade é inferior (2,7 kg/dm 3). No caso do ferro fundido, ela chega a 7,3 kg/dm3.
No entanto, esta solução mais leve tem custos mais elevados, além de desvantagens como a menor rigidez do Al e uma maior expansão térmica.

Fig. 5 Bloco de um motor de 12 L, da MAN. Este componente é moldado na posição horizontal e vazado. Imagem: Fundição Fritzwinter.

A compensação destes “problemas” requer o reforço das paredes da carcaça, utilizando para tanto elementos de apoio incorporados na área dos mancais ou das camisas de cilindro, além da colocação de nervuras nas paredes externas. Com isso, a baixa densidade do alumínio deixa de ser uma vantagem.
Neste sentido, a tarefa mais importante de um bloco de motor feito em ferro fundido vermicular é alcançar uma produção seriada confiável, com paredes finas.
Na posição de vazamento horizontal convencional, não é possível obter espessuras de parede da carcaça de 3,5±0,5 mm.
Já no vazamento vertical, as forças de sustentação são quase completamente eliminadas.
O bloco de motor com o eixo do cilindro são posicionados de modo vertical no molde, que por sua vez vira um bloco com os machos incorporados.
Com essa base, é possível projetar paredes da carcaça e dos cilindros com espessuras de 3,5±0,5 mm e 3,5+0,5/-0 mm, respectivamente.




Leiaute do molde para a fundição vertical


Fig. 6 Potencial de carga para a pressão de ignição de diferentes materiais utilizados na construção de motores de carros de passeio. Imagem: AVL, Graz.

Fig. 7 – Relação entre a temperatura e o módulo de elasticidade do ferro fundido vermicular e do ferro fundido cinzento. Até 500°C, o módulo de elasticidade abaixa, alcançando o nível da temperatura ambiente, no caso do ferro fundido cinzento. Imagem: AVL, Graz.

O conjunto de machos de areia para o leiaute do molde dos blocos de motor consiste em:

Fig. 8 Macho intermediário em diferentes planos de corte. a) Parede de divisão; b) meio do cilindro; c) corte no comprimento; d) furo para o óleo principal. Imagem: Henkel.

Fig. 9 Bloco de motor com quatro cilindros. a) Sem macho intermediário, plano de cortefuro de óleo principal; b) com macho intermediário. Imagem: Henkel.

Os machos com as posições 1-3 formam todo o contorno externo, da superfície de conexão do cárter de óleo até a conexão do cabeçote de cilindro. Os machos com as posições 4-7 formam o contorno interno, da superfície de conexão do cárter de óleo até a conexão do cabeçote de cilindro.
Este leiaute do molde e machos garante a fundição de blocos mais leves, com espessura de parede fina.
No entanto, ainda assim existem acúmulos de material na peça fundida, que não são acessíveis. Tratase basicamente das áreas do contorno abaixo da câmara d ́água, dos contornos dos flanges e das bossas roscadas para unidades complementares e para a suspensão do motor, que se estendem dos machos externos até a parede da carcaça.

O macho dos mancais do virabrequim oferece uma solução parcial neste caso.
Como macho inteiriço, com todos os mancais do virabrequim, ele tem a vantagem de ser mais estável do ponto de vista dimensional, em comparação com a montagem de machos individuais.
O plano de divisão da ferramenta corresponde exatamente ao plano de divisão dos machos laterais. Desta maneira, ele pode acompanhar exatamente as áreas do contorno formadas pelos machos externos, reduzir as regiões dos flanges até a espessura desejada e efetuar a moldagem livre das bossas roscadas salientes, até a parede da furação do macho.
Em razão do deslocamento de 90° do plano divisório da ferramenta dos mancais do virabrequim, muitas vezes é necessário aumentar as áreas dos contornos em direção à parede divisória, o que pode causar um excesso de peso.

O macho intermediário

Fig. 10 Necessidade de macho para a região do contorno interno de um bloco de motor com seis cilindros (debaixo para cima); macho do cárter – macho intermediário (central) – macho da camisa de água – macho da soleira. Imagem: Henkel.

Para obter as melhores condições para a redução de peso, um macho novo foi integrado ao leiaute do molde. Trata-se do macho intermediário (figura 10).
Ele é localizado acima do macho inteiriço dos mancais do virabrequim, assumindo a moldagem de áreas do contorno anteriormente inacessíveis.
Este macho intermediário também é inteiriço. Devido à divisão horizontal da ferramenta, ele assume a moldagem de todas as áreas do contorno.
Na parte externa, o macho intermediário acompanha a parede da carcaça a uma distância de 3±0,5 mm. Ele se aproxima das paredes das camisas de cilindro a uma distância de 3,5±0,5 mm, impedindo qualquer conexão dos tirantes para o aparafusamento das tampas de mancal e do cabeçote de cilindro.
Isso garante que nenhuma força de tração e tensão deformadora atue sobre as camisas de cilindro.
As figuras 8 a-d mostram o macho intermediário em diferentes planos de corte.
As camisas de cilindro ficam dispostas livremente no bloco de motor. Elas estão conectadas na placa superior, no fundo da camisa d ́água e na parede da carcaça da área dos mancais na parte inferior (figura 9).
O macho intermediário impede a radiação direta do ruído da estrutura a partir da parte inferior do cilindro. Ele se encontra em uma posição central do leiaute do molde e dos machos, sendo pré-montado de preferência em uma unidade com o macho inteiriço das capas de mancal (figura 10).
Desta maneira, obtêmse reduções de peso próximas dos projetos realizados com o alumínio.
Com isso, é possível afirmar que o ferro fundido vermicular é indicado para a construção de motores de alto desempenho, uma vez que com o novo leiaute dos moldes e machos é possível reduzir o peso dos componentes.

Conclusões

Tomando o exemplo de um bloco de motor com seis cilindros em linha, fabricado em ferro fundido vermicular, foi demonstrada a possibilidade de se alcançar um máximo de redução de peso por meio de um novo leiaute do molde no vazamento vertical.
O resultado final é muito próximo do tipo de construção comumente praticado na fundição composta de alumínio e ferro. O resto faltante é compensado pela redução significativa dos custos, com uma maior resistência e rigidez.
A solução consiste em um pacote de machos internos, composto de quatro machos individuais. O macho intermediário inteiriço, o brequim. Ele assume a moldagem de áreas do contorno anteriormente inacessíveis.
Na parte externa, ele acompanha a espessura de parede da carcaça, se aproxima das camisas de cilindro e impede qualquer conexão dos tirantes para o aparafusamento das tampas de mancal e do cabeçote de cilindro. Isso garante que nenhuma força de tração e tensão atue sobre as camisas de cilindro. Elas ficam ligadas na placa superior e no fundo da camisa d ́água, sendo dispostas livremente no bloco de motor.
A elevada tensão interfacial do ferro fundido vermicular líquido aumenta a resistência ao calor e resulta na formação uniforme da altura e espessura da camisa de cilindro.