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Engenharia Mecânica SACA PINO PNEUMÁTICO Carlos Hermando Malagutti Everton Luís da Silva Wanderley Salgado Junior Campinas 2016 Engenharia Mecânica SACA PINO PNEUMÁTICO Carlos Hermando Malagutti RA: 004201301144 Everton Luís da Silva RA: 004201401250 Wanderley Salgado Junior RA: 004201201635 Projeto de Monografia apresentado à disciplina Metodologia do Trabalho Científico, do Curso de Engenharia Mecânica da Universidade São Francisco, sob a orientação metodológica do Prof. Eugênio de Souza Morita, como exigência parcial para conclusão do curso de graduação. Prof(a). orientador(a) do Trabalho de Graduação:_____________________________ Campinas 2016 3 RESUMO Diante de um cenário mundial inovador e competitivo, sendo o Tempo o protagonista dessa história, procurou-se idealizar uma ferramenta capaz de suprir as necessidades enfrentadas corriqueiramente nos departamentos industriais relacionada com a área de estampagem. A ferramenta atual denominada Martelo Deslizante traz uma série de prejuízos ao operador e consequentemente para a empresa. Já o novo conceito de ferramenta, chamado Saca Pino Pneumático, traduz os estudos e experiências dedicados a eliminar ao máximo o risco de acidentes e esforços físicos com o operador, além de elevar a produtividade perante a ferramenta atual. Para atingir esse patamar de qualidade e desempenho, necessitou compreender o contexto na qual a ferramenta atual é aplicada e posteriormente averiguar as necessidades enfrentadas pelo colaborador com o manuseio da ferramenta no dia a dia. Após a coleta de todas as informações pertinentes, avaliou-se todos os pontos mais críticos e também os pontos a princípio improváveis de perigo na ferramenta, porém, a médio prazo, podem originar instabilidades no processo e danos sérios para o colaborador devido a frequência de repetições e uso contínuo da mesma. Assim, possibilitou-se a prototipagem de um novo layout e características técnicas da ferramenta proposta a fim de sanar todas as adversidades encontradas até o momento. Nessa etapa de suma importância no desenvolvimento da mesma, efetuou-se uma sequência de estudos através de cálculos para mensurar todas as grandezas físicas geradas pela ferramenta. Com isso, permitiu-se a confecção do protótipo no software com os devidos dimensionais e em seguida, a construção real da ferramenta para aplicação no mercado atuante. A ferramenta proposta traz a modernidade através da tecnologia aplicada em seus componentes e funcionalidade, e em contra partida, oferece a segurança para o operador e para o processo. Em relação ao custo protótipo versus ferramenta atual, o protótipo gera um valor mais elevado do que a existente, mas, analisando-se todas as variantes que são inerentes à ferramenta no ambiente de atuação, principalmente o custo versus benefício, certamente comprova-se as discrepâncias entre as duas ferramentas. Portanto, a nova ferramenta consagra os objetivos traçados e, além disso, desperta novos horizontes para a evolução do mercado em foco. PALAVRAS-CHAVE: estampagem, produtividade, qualidade, desempenho, protótipo. 4 ABSTRACT In an innovative and competitive world scenario, being the Time the protagonist of this story, we sought to devise a tool capable of meeting the needs faced in the industrial departments related to stamping field. The current tool named “Martelo Deslizante” brings a series of damages to the operator and consequently to the company. Already the new tool concept, named “Saca Pino Pneumático”, translates studies and experiences dedicated to eliminate the maximum risk of accidents and physical efforts involving the operator, alongside to raising the productivity of the current tool. In order to reach this level of quality and performance, it was first needed developing the theoretical basis to understand the context in which the current tool is applied and later to ascertain the needs faced by the collaborator with the handling of the tool in his routine. After concluding the data collection, all the most critical points and also the unlikely points of danger in the tool were evaluated, but, in the medium term, they may cause process instabilities and also serious damage to the employee due to its frequency of repetitions and continuous use. Thus, it was possible to prototype a new layout and technical characteristics of the proposed tool in order to solve all the found adversities. At this stage of great importance in the development of the same, a sequence of studies was carried out through calculations to measure all the physical quantities generated by the tool. By doing this, it was possible to make the prototype in the software with the necessary dimensional and then, the real construction of the tool for application in the market. The proposed tool brings modernity through technology applied in its components and functionality, and in counterpart, offers safety for the operator and for the process. Comparing the prototype cost with the current tool, it is possible to infer that the prototype generates a higher value than the existing one, however, analyzing all the variants that are inherent to the tool in the operating environment, mainly the cost/benefit relationship, certainly proves the discrepancies between the two tools. Therefore, the new tool enshrines the objectives outlined and, in addition, awakens new horizons for the evolution of the market in focus. KEYWORDS: stamping, productivity, quality, performance, prototype. 5 LISTA DE FIGURAS Figura 1 – Desenho esquemático de uma prensa de engate por chaveta. ............... 16 Figura 2 – Prensa mecânica excêntrica com freio/embreagem. ............................... 17 Figura 3 – Prensa mecânica de fricção com acionamento por fuso. ........................ 18 Figura 4 – Prensa hidráulica ................................................................................... 19 Figura 5 – Molde de estampo e seus componentes . ............................................... 20 Figura 6 – Molde de um estampo progressivo, meramente conceitual .................... 21 Figura 7 – Tira e peça extraída do molde ............................................................... 21 Figura 8 – Componentes principais de um molde de estampo ................................. 22 Figura 9 – Modelo de espiga para moldes de pequeno e médio porte .................... 23 Figura 10 – Placa Superior . .................................................................................... 23 Figura 11 – Placas de choque ................................................................................ 24 Figura 12 – Placa porta punção .............................................................................. 25 Figura 13 – Punção simples . .................................................................................. 25 Figura 14 – Punção com postiços . .......................................................................... 25 Figura 15 – Punção seccionado .............................................................................. 26 Figura 16 – Montagem de uma coluna guia e uma bucha ....................................... 26 Figura 17 – Montagem de um pino guia .................................................................. 27 Figura 18 – Guia Lateral . ........................................................................................ 28 Figura 19 – Matriz . .................................................................................................. 28 Figura 20 – Base inferior simples ............................................................................ 29 Figura 21 – Base inferior semi-embutida . ...............................................................29 Figura 22 – Base inferior embutida .......................................................................... 29 Figura 23 – Martelo deslizante com ponta intercambiável para diversas aplicações ................................................................................................................................. 30 Figura 24 – (a) Ilustração esquemática de como uma carga de tração produz um alongamento e uma deformação linear positiva. .................................................................. 32 Figura 25– Microestrutura de um aço carbono simples com 0,44%p de C.. ............. 34 Figura 26– Fotomicrografia da superfície de uma amostra de uma liga ferro-cromo policristalina, polida e atacada quimicamente, onde os contornos dos grãos aparecem escuros. Ampliação de 100X.. ............................................................................................. 34 Figura 27– Diagrama de fases cobre-níquel ........................................................... 36 Figura 28 – Diagrama de fases para o sistema ferro-carbeto de ferro . ................... 38 Figura 29 – Fotomicrografia da ferrita α (ampliação 90x). United States Steel Corporation ......................................................................................................................... 39 6 Figura 30 – Fotomicrografia da austenita (ampliação de 325x). ............................... 39 Figura 31 – Recipiente de ar comprimido . .............................................................. 42 Figura 32 – Pressão em um atuador pneumático ................................................... 42 Figura 33 - Duração de um esforço muscular (%) em relação à duração de tempo (minutos) ............................................................................................................................ 46 Figura 34 – Esboço inicial do Saca Pino Pneumático .............................................. 49 Figura 35 – Esboço inicial feito no AutoCad............................................................. 52 Figura 36 – Válvula de escape rápido ..................................................................... 55 Figura 37 – Válvula reguladora de fluxo . ................................................................. 55 Figura 38 – Válvula de simples piloto 5/2 vias ........................................................ 56 Figura 39 – Botão pulsador 3/2 vias. ....................................................................... 57 Figura 40 – Desenho final do Saca Pino Pneumático ............................................. 58 Figura 41 – Foto do protótipo do Saca Pino Pneumático. ........................................ 60 7 LISTA DE TABELAS Tabela 1 – Valores medidos. .................................................................................... 50 Tabela 2 – Orçamento para fabricação das peças do Saca Pino Pneumático. ......... 59 Tabela 3 – Orçamento dos itens comerciais do Saca Pino Pneumático. .................. 59 8 LISTA DE APÊNDICES Apêndice A.1 – Desenho da Base Superior (Solid Edge) ........................................ 67 Apêndice A.2 – Desenho da Base Inferior (Solid Edge) .......................................... 69 Apêndice A.3 – Desenho do Êmbolo (Solid Edge) .................................................. 70 Apêndice A.4 – Desenho do Cilindro (Solid Edge) .................................................. 71 Apêndice A.5 – Desenho dos Prisioneiros (Solid Edge) .......................................... 72 Apêndice A.6 – Desenho da Ponta Intercambiável (Solid Edge) ............................. 73 Apêndice A.7 – Desenho de montagem do Saca Pino Pneumático (Solid Edge) .... 74 9 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ................................................................................................... 11 1.1 Justificativa ..................................................................................................... 12 1.2 Objetivo .......................................................................................................... 12 1.3 Objetivo específico ......................................................................................... 12 1.4 Metodologia .................................................................................................... 13 1.5 Estrutura do trabalho ...................................................................................... 13 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................... 14 2.1 Estampagem .................................................................................................. 14 2.1.1 Prensas ................................................................................................... 14 2.1.2 Moldes de Estampo ................................................................................. 19 2.1.3 Elementos de Estampo ............................................................................ 22 2.1.4 Martelo deslizante .................................................................................... 30 2.2 Materiais ......................................................................................................... 31 2.2.1 Escolha dos materiais .............................................................................. 32 2.2.2 Diagrama de fases ................................................................................... 33 2.3 Pneumática ..................................................................................................... 41 2.3.1 Pressão ................................................................................................... 41 2.3.2 Ar comprimido .......................................................................................... 42 2.4 Análises de custo ............................................................................................ 44 2.5 Ergonomia ...................................................................................................... 45 3 METODOLOGIA ................................................................................................ 47 3.1 Estudo de caso ............................................................................................... 48 3.2 Cálculos .......................................................................................................... 49 3.3 Desenhos da ferramenta ................................................................................ 52 3.4 Materiais utilizados ......................................................................................... 53 3.4.1 Base Superior e Êmbolo – Aço SAE 8620 ............................................... 53 10 3.4.2 Cilindro, Prisioneiros e Ponta intercambiável – Aço SAE 1045 ................ 53 3.4.3 Base Inferior – Alumínio ........................................................................... 54 3.4.4 Parafusos Intercambiáveis ....................................................................... 54 3.5 Acionamentos pneumáticos ............................................................................ 54 3.6 Protótipo ......................................................................................................... 57 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ....................................................................... 60 5 CONCLUSÃO .................................................................................................... 63 6 MELHORIAS PROPOSTAS ............................................................................... 64 7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................... 65 8 APÊNDICE A ..................................................................................................... 67 11 1 INTRODUÇÃOA partir da década de 1940, iniciou-se no Brasil o desenvolvimento econômico, indústrias multinacionais e de base incluindo metalúrgicas, automotivas, siderúrgicas, entre outras, começaram a se instalar no país dando início ao desenvolvimento industrial. Com o passar dos anos as indústrias foram crescendo e evoluindo juntamente com a tecnologia, e devida a esta, era cada vez mais necessário à criação de equipamentos e ferramentas para acompanhar este desenvolvimento de forma a garantir uma produção competitiva e de qualidade. Dentre os diversos equipamentos, destaca-se a prensa, cuja participação foi notória e auxiliou no crescimento das empresas. Sua aplicação se estende desde estampagens de peças de pequeno à grande porte, dentre os quais as laterais dos automóveis constituem seus produtos. Outro equipamento de extrema importância foram as injetoras, que são utilizadas para fabricação de peças injetadas podendo ser de diversos tipos de materiais, formas e tamanhos, gerando um leque de possibilidades em sua aplicação, compreendendo utensílios para residência, nos quais se destaca os utensílios para cozinha, peças para acabamento de automóveis com uma série de variedades e modelos. Os moldes que compõem as injetoras possuem a mesma forma das peças fabricadas, compreendendo moldes de estampo, utilizados em prensas, ou moldes de injeção, utilizados em injetoras. Estes moldes precisam ser fiéis às peças a serem fabricadas, pois qualquer erro ou deformidade pode comprometer todo o lote de peças, e devido a esta necessidade, suas dimensões precisam ser exatas, seu acabamento precisa ser o mais polido possível e o alinhamento das partes precisam ser praticamente zerados para que o mesmo trabalhe com exatidão. Para isso, um dos componentes utilizados para garantir essa exatidão de alinhamento são os pinos guia, cuja função é exatamente guiar as placas para que as mesmas não se desalinhem. Toda ferramenta requer manutenção depois de certo tempo de utilização, no qual também os moldes necessitam de manutenção e ajustes. Assim, uma das dificuldades encontradas para tanto é na desmontagem destes moldes, pois os pinos guia costumam oxidar e travar na placa, dificultando sua remoção. E para auxiliar nesse processo de desmontagem, atualmente, utiliza-se uma ferramenta denominada martelo deslizante, onde uma de suas pontas fica presa ao pino através de uma rosca e a outra ponta possui uma “cabeça” onde um peso deslizante bate, fazendo com que o pino guia saia, porém este processo requer um grande esforço por parte do colaborador que efetua essa remoção e oferece um grande risco ao mesmo, uma vez que, este deixa sua mão exposta a 12 esmagamentos. Portanto, a proposta deste trabalho tem por finalidade minimizar esses esforços e reduzir os riscos de acidentes. 1.1 Justificativa Como toda ferramenta requer manutenção depois de certo tempo de utilização, o mesmo acontece com os moldes. E como a ferramenta utilizada atualmente para auxiliar no processo de remoção dos pinos guia oferece certo risco ao colaborador que a opera, seja no sentido de risco de acidente devido à forma do manuseio pelo operador, já que o mesmo expõe parte de sua mão a possíveis esmagamentos. Como também, o risco ergonômico devido ao fato do operador estar exercendo uma força para manuseio da ferramenta de forma indevida e desproporcional, além é claro de ocasionar lesões por esforços repetitivos, afinal o mesmo repete o processo de deslizar o peso sobre a haste presa no pino diversas vezes, até conseguir removê-lo. Sendo assim, idealizou-se uma maneira de auxiliar o operador, proporcionando uma ferramenta que realize a força e o esforço repetitivo por ele, não expondo-o mais a nenhum risco. Sendo assim, esta é a proposta do Saca Pino Pneumático, minimizar esses esforços e reduzir os riscos de acidentes. 1.2 Objetivo O Saca Pino Pneumático, tem como objetivo minimizar esforços físicos realizados pelos operadores, eliminar o risco de acidentes e aumentar a produção ou, no caso, agilizar a manutenção e set up de moldes. Sua confecção será com materiais leves, porém que suportem os esforços a que serão submetidos, visando eficiência e praticidade. Seu acionamento será totalmente pneumático, para que possa manter a eficiência durante todo o processo de remoção, ao invés de totalmente manual, como acontece no martelo deslizante, o que acarreta em diminuição da eficiência durante o tempo devido ao grande esforço a que o operador é exposto. 1.3 Objetivo específico A ferramenta proposta consiste em uma ferramenta pneumática automática, cabendo ao operador apenas a função de fixar uma das pontas no pino e acionar o botão em forma de gatilho para que a ferramenta comece a atuar, gerando impactos e removendo o pino. Como a intenção é aperfeiçoar o processo, reduzir o desgaste físico do operador e reduzir ao máximo os riscos de acidentes por conta da utilização da ferramenta apresentada, a mesma 13 precisa ser dimensionada coerentemente para que o operador não se desgaste em utilizá-la e seja de fácil manuseio, mensurando seu peso e requerendo a utilização de materiais leves, porém que suportem os esforços aos quais estará sujeita. Dessa forma, o intuito deste trabalho é comprovar a eficiência do Saca Pino Pneumático e uma ótima relação custo- benefício para a empresa, visto que sua aplicação poderá reduzir esforços físicos realizados pelo operador, eliminar os riscos a que ele está exposto e diminuir o tempo de set up e manutenção em moldes, aumentando assim a produção. 1.4 Metodologia O trabalho foi desenvolvido seguindo as etapas abaixo: I. Embasamento teórico – pesquisa e levantamento de materiais, cálculos de resistência dos materiais, pneumática, processos de fabricação, engenharia econômica e demais conhecimentos pertinentes a elaboração do projeto; II. Estudo de caso – Estudo do processo e da ferramenta utilizada atualmente, apontando seus pontos fracos a serem melhorados; III. Elaboração da ferramenta – à partir do estudo de caso, idealizou e elaborou uma ferramenta para substituir a atual, minimizando os esforços físicos e reduzindo os riscos operacionais. 1.5 Estrutura do trabalho Com o objetivo de apresentar todos estes argumentos e explicações à respeito da proposta exposta, o trabalho estará dividido da seguinte forma: No capítulo 2 será explanada a pesquisa bibliográfica para elaboração deste trabalho. No capítulo 3 será apresentada toda a metodologia do trabalho como, apresentação dos cálculos matemáticos para fabricação e desenvolvimento da ferramenta, seleção de materiais, seleção dos acionamentos pneumáticos, desenvolvimento da ferramenta proposta e desenvolvimento do protótipo. No capítulo 4 serão apresentados os resultados obtidos através dos testes a serem executados no laboratório. No capítulo 5 será apresentado a conclusão do trabalho, abordando uma relação entre os custos x benefícios para implantação da ferramenta na indústria. No capítulo 6 será apresentado algumas melhorias propostas para aperfeiçoamento da ferramenta e aumento de sua eficiência. No capítulo 7 constarão todas as referências bibliográficas utilizadas para o desenvolvimento do trabalho. 14 E no capítulo 8 encontram-se os apêndices. 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 Estampagem A estampagem consiste em um processo de conformação mecânica de chapas, geralmente realizado a frio, onde uma chapa plana denominada blank é submetida a um conjunto de operações de modo a adquirir uma nova forma e esta é determinada por uma matriz (fêmea) que sofre uma ação imposta por um punção (macho), dando a forma desejada à chapa.( PROVENZA, 1996) A estampagem compreende operações de corte, dobramento, estampagem profunda (repuxo), encurvamento e prensagem. Como este tipo de processo é realizado geralmentea frio é extremamente importante que se tenha uma lubrificação adequada a cada tipo de operação, para que se possa reduzir o desgaste do material e também os esforços de conformação. A estampagem pode ser simples ou combinada, dependendo da quantidade de etapas necessárias para se chegar a peça desejada, normalmente operações de corte costumam ser do tipo simples, enquanto as demais operações requerem mais de uma etapa para serem realizadas. Neste processo de fabricação pode se utilizar diversos tipos de materiais como aços com baixo teor de carbono, aço liga, aços inoxidáveis, alumínios, entre outros e devido às suas características este processo se torna muito apropriado para uma série de peças, desde as mais simples até peças mais complexas, obtendo-se grandes vantagens como baixo custo por peça, maior produtividade, bom acabamento, aumento da resistência das peças, devido ao encruamento no material causado pela deformação, uniformidade das peças fabricadas, entre outras, porém como todo processo também tem suas desvantagens e a maior delas é o alto custo do ferramental utilizado, viabilizando o processo somente se a quantidade de peças a se fabricar for elevada, caso contrário não se consegue amortizar o valor do mesmo. Este processo tem sido utilizado em grande escala por empresas de diversos segmentos, desde o automobilístico até o alimentício, que utilizam ferramentas automatizadas para realização destes trabalhos denominadas prensas, que podem ser hidráulicas ou mecânicas. 2.1.1 Prensas 15 Prensas são equipamentos de conformação mecânica, utilizadas para comprimir ou cortar diversos tipos de materiais, onde a ação de puncionar executada pelo martelo provém de um sistema hidráulico ou um sistema mecânico, transformando o movimento rotativo em movimento linear. São utilizadas para confecção de diversos tipos de peças, desde as mais simples até as mais complexas e devido a esta gama de possibilidades são amplamente utilizadas nas indústrias e como existem diversos tipos prensas, faremos uma breve explanação sobre as mais importantes. De acordo com o tipo de transferência de movimento utilizado tem-se diversos tipos de prensas mecânicas, tais como prensas mecânicas excêntricas de engate por chaveta, prensas mecânicas excêntricas com freio/embreagem e prensas mecânicas de fricção com acionamento por fuso e as prensas hidráulicas, que como o próprio nome diz, possuem um sistema hidráulico, além é claro, de algumas ferramentas similares que utilizam o mesmo princípio das prensas para executar suas funções, constituindo o Martelo Pneumático uma ferramenta amplamente utilizada para forjamento de peças. PRENSAS MECÂNICAS EXCÊNTRICAS DE ENGATE POR CHAVETA O movimento rotativo é transformado em linear através de um sistema de bielas. As prensas mecânicas excêntricas de engate por chaveta apresentam acionamento direto do volante ou com diminuição por engrenagens, com mesa fixa ou regulável, em posição horizontal ou desviada da linha vertical. O volante é acionado por um motor elétrico, se encontra fixado na ponta de um eixo por meio de uma bucha de engate onde se insere uma chaveta com movimento de rotação. Na outra ponta, o eixo está fixado em uma bucha acoplada em uma biela que muda o movimento rotativo para linear (BECKER, 2006). A figura 1, ilustra um desenho esquemático de uma prensa mecânica excêntrica de engate por chavetas, assim como seus componentes identificados através das letras A – Motor, B – Volante, C – Eixo, D – Biela, E – Martelo. 16 Figura 1 – Desenho esquemático de uma prensa de engate por chaveta (BECKER, 2006). O acoplamento de engate por chaveta, uma vez colocado em funcionamento ou ativado não pode ser desengatado até que o martelo tenha realizado um ciclo completo. As prensas com esse tipo de acoplamento são extremamente perigosas, não sendo, portanto, mais permitida a sua fabricação (Puiatti, 2011). PRENSAS MECÂNICAS EXCÊNTRICAS COM FREIO/EMBREAGEM Assim como nas prensas mecânicas excêntricas de engate por chaveta o movimento do volante é gerado através de um motor elétrico que se encontra na extremidade de um eixo e na outra extremidade do eixo fixa-se uma bucha excêntrica, alojada em uma biela, que é responsável por transformar o movimento rotativo em movimento linear, a diferença é que ao invés de um sistema de engrenagens é acoplado um conjunto freio/embreagem que controla a velocidade. 17 Na figura 2 podemos observar um exemplo deste tipo de prensa. Figura 2 – Prensa mecânica excêntrica com freio/embreagem (BECKER, 2006). Este tipo de prensa quando acionada manda um sinal elétrico para as válvulas pneumáticas ou hidráulicas que liberam a passagem do fluido e com isso liberam o freio e acoplam a embreagem, transmitindo o movimento de rotação para o conjunto eixo/bucha excêntrica que é transformado em movimento linear pela biela, realizando os movimentos de descida e subida da prensa, quando este ciclo é executado o freio é acionado por molas, interrompendo o movimento da prensa até a mesma ser acionada novamente e diferente das prensas mecânicas excêntricas de engate por chaveta este ciclo pode ser interrompido através do freio. PRENSAS MECÂNICAS DE FRICÇÃO COM ACIONAMENTO POR FUSO Neste tipo de prensa o martelo desce por meio de um fuso, sendo acionado por dois volantes laterais, que friccionam um volante horizontal que se encontra no centro e acima do fuso, fazendo assim com que o martelo realize o movimento de descida e subida. Este tipo de prensa também é conhecido como prensa tipo parafuso ou prensa por fuso e a figura 3 mostra como é uma prensa deste tipo. 18 Figura 3 – Prensa mecânica de fricção com acionamento por fuso (BECKER e MISTURINI, 2001). O ciclo desta máquina não é completo, pois permite a parada do martelo no movimento de descida. Contudo, a intensa resistência presente no sistema não torna possível a exatidão da parada do martelo (BECKER e MISTURINI, 2001). PRENSAS HIDRÁULICAS Estas prensas são normalmente utilizadas em repuxos profundos, devido a sua maior capacidade de força de estampagem e tem como características sua força constante em qualquer ponto do curso do martelo e seu corpo, que geralmente é em forma de “H”, possuindo duas ou quatro colunas, mesa fixa ou regulável, horizontal ou inclinada, podendo ter características adicionais como duplo ou triplo efeito. Na figura 4 podemos visualizar de forma mais concreta uma prensa hidráulica. 19 Figura 4 – Prensa hidráulica (SILVA, 2008). Estas prensas usam força mecânica adquirida através da pressão produzida pelo fluído hidráulico do sistema, por meio do Principio de Pascal, a fim de conformar, estampar, dobrar, cortar, furar chapas ou executar a montagem de componentes mecânicos. Seus principais componentes são: fonte hidráulica de deslocamento positivo, cilindro hidráulico, válvulas, tubos e fluído hidráulico para acionamento do sistema (SILVEIRA, 2010). 2.1.2 Moldes de Estampo É o conjunto de peças ou placas que associado e adaptado às prensas ou balancins executa operações em chapas, para produção de peças em série (SENAI, 2006). 20 A figura 5 ilustra como é um molde de estampo e seus principais componentes. Figura 5 – Molde de estampo e seus componentes (SENAI, 2006). Estes moldes podem ser de três tipos corte, dobra ou repuxo, os moldes do tipo corte como o próprio nome diz são utilizados para realizar cortes em chapas com diversas formas diferentes, de acordo com a aplicação da peça, os moldes do tipo dobra são utilizados para realização das dobras nas peças e os de repuxo são utilizados para fabricação de peças que requerem um repuxo com grande profundidade, um bom exemplo de peça feita nesse tipo de molde são as panelas que utilizamosno nosso dia a dia. Como pode ter diversos formatos de peças, às vezes precisa-se de várias operações em um mesmo molde para chegarmos à peça desejada, sendo assim utilizamos moldes do tipo progressivo, onde podemos combinar operações de corte, dobra e até repuxo em um mesmo molde para obtenção de peças mais complexas. A figura 6 ilustra como seria um 21 molde progressivo, onde cada tipo de operação é denominado estágio e dependendo da peça podemos ter diversos estágios. Figura 6 – Molde de um estampo progressivo, meramente conceitual (http://officecadprojetos.blogspot.com.br/) A tira (chapa) está representada pela cor azul e conforme vai avançando dentro do molde e passando pelos estágios, sofre um tipo de operação diferente, no caso ilustrado podemos observar que a tira começa com algumas operações do tipo corte e em seguida passa por operações de dobra até sair no fim do molde a peça desejada, a figura 7 mostra como fica a tira no decorrer dos processos e a peça adquirida no final deste. Figura 7 – Tira e peça extraída do molde representado na figura 6 (http://officecadprojetos.blogspot.com.br/) 22 2.1.3 Elementos de Estampo Como pode ser observado na figura 8, um molde é composto por vários componentes independentemente se ele for de corte, dobra, repuxo ou progressivo alguns componentes são padrão e essenciais para todos, tais como 1 – Espiga, 2 –Base ou Placa Superior, 3 – Placa de Choque, 4 – Porta Punção, 5 – Punção, 6 – Colunas de Guia, 7 – Buchas, 8 – Pinos de Fixação ou Pinos Guia, 9 – Parafusos, 10 – Extratores, 11 – Guia das Chapas, 12 – Matriz, 13 – Base Inferior. Figura 8 – Componentes principais de um molde de estampo (CENTRO PAULA SOUZA, 2010). ESPIGA: A fixação da parte móvel do estampo no martelo da prensa é feita aplicando- se um pino roscado, o qual se denomina espiga. A espiga é introduzida no furo existente no martelo e, por intermédio de um parafuso, fixa-se o conjunto. A espiga é um elemento de forma cilíndrica e o seu diâmetro, assim como o comprimento, deverá ser de acordo com o furo do martelo já existente na prensa, onde será montado o estampo. Geralmente, a espiga é constituída com um aço comum como, por exemplo, SAE 1010 ou 1020, exceto em casos especiais, nunca receberá tratamento térmico (CENTRO PAULA SOUZA, 2010). 23 A figura 9 ilustra um modelo de espiga para moldes de pequeno e médio porte. Figura 9 – Modelo de espiga para moldes de pequeno e médio porte (CENTRO PAULA SOUZA, 2010). BASE OU PLACA SUPERIOR: É uma placa de aço1020 a 1030, ou de ferro fundido, na qual é fixada a espiga e tem por finalidade unir, por meio de parafusos, a placa de choque e a placa porta punção (SENAI, 2006). Figura 10 – Placa Superior (CENTRO PAULA SOUZA, 2010). 24 Conforme ilustrado na figura 10 a base superior pode conter, além do encaixe de fixação da espiga, também o alojamento para encaixe das buchas de guia. PLACA DE CHOQUE: Para impedir que a punção penetre no cabeçote, coloca-se entre a cabeça do punção e o cabeçote do estampo, uma placa de aço temperado com espessura máxima de 5 mm a 8mm. Outra função é a distribuição da pressão da punção. O material que normalmente é utilizado o aço SAE 1045 e levando um tratamento térmico não obrigatório de HRC 45-48, não havendo necessidade de maior dureza para não torná-la quebradiça (CENTRO PAULA SOUZA, 2010). A figura 11 traz dois tipos de placas de choque, inteiriça ou segmentada, que como os próprios nomes já dizem aplaca inteiriça é uma única placa colocada entre a cabeça de todos os punções e o cabeçote, já a placa segmentada é colocada apenas sobre a cabeça do punção. Figura 11 – Placas de choque (CENTRO PAULA SOUZA, 2010). PLACA PORTA PUNÇÃO: É uma placa de aço 1020 a 1030, situada logo abaixo da placa de choque ou da placa superior e fixa-se a esta por meio de parafusos, sua função é sustentar punções, centradoras, cunhas e as colunas de guia quando forem necessárias. Quando o estampo se destina a trabalhar em prensas automáticas, o ajuste dos punções nas placas porta-punções deve ser H7 e h6, em prensa excêntrica o ajuste é H7 e g6 (SENAI, 2006). A figura 12 ilustra uma placa porta punção indicando suas cavidades sendo 1 – Placa de corte, 2 – Alojamento para cabeça de punções, 3 – Placa porta punções, 4 – Alojamento de punções. 25 Figura 12 – Placa porta punção (SENAI, 2006). PUNÇÃO: São peças de aço liga, temperado e revenido, que efetuam o corte ao introduzir nas cavidades da placa-matriz, dando forma ao produto (SENAI, 2006). Os punções, de acordo com seu perfil podem ser de três formas, simples (figura 13) quando não apresenta dificuldade quanto ao formato do punção, com postiços (figura 14) quando possuem partes frágeis e seccionados (figura 15) quando possuem grande dimensão e dificuldade na construção do mesmo, ele é dividido em diversas partes para facilitar a confecção. Figura 13 – Punção simples (SENAI, 2006). Figura 14 – Punção com postiços (SENAI, 2006). 26 Figura 15 – Punção seccionado (SENAI, 2006). COLUNA DE GUIA E BUCHAS: As colunas e buchas são peças cilíndricas, cuja a função é manter o alinhamento entre os conjuntos superior e inferior de um estampo. Podem ser construídos de aço 1040 a 1050, cementados, temperados e retificados. As tolerâncias de fabricação da zona de trabalho das colunas e buchas correspondem a um ajuste H6 e h5 (SENAI, 2006). A figura 16 a seguir nos traz uma amostra de como são montadas uma coluna guia e uma bucha e a interação entre elas. Figura 16 – Montagem de uma coluna guia e uma bucha (SENAI, 2006). As colunas são dimensionadas de modo a manter o conjunto rígido e firme, garantindo a estabilidade do estampo e seu comprimento deve ser de acordo com o curso de trabalho da ferramenta, para que não ocorra a separação dos conjuntos superior e inferior durante o trabalho da mesma. PINO GUIA: São peças cilíndricas geralmente de aço-prata temperadas e revenidas. Sua função é posicionar as placas de um conjunto, ou peças entre si, eliminando a folga dos parafusos de fixação (SENAI, 2006). 27 O ajuste desses pinos nas placas deve ser H7 j6 e geralmente utilizam-se no mínimo dois pinos. Os pinos podem ter ou não rosca interna para auxiliar a remoção dos mesmos, pois após certo tempo fixado no molde tendem a travar e dar certa dificuldade na sua remoção. A figura 17 ilustra a montagem de um pino guia. Figura 17 – Montagem de um pino guia (SENAI, 2006). PARAFUSO: São elementos de fixação utilizados para travar as partes do estampo, por exemplo, travar a matriz na base inferior. Geralmente se utilizam parafusos comerciais do tipo “ALLEN”, que são parafusos com cabeça cilíndrica e um sextavado interno na mesma para encaixe da chave, para que se possa apertar ou remover o parafuso. EXTRATOR: Os extratores têm a função de retirar o produto de dentro das matrizes e/ou dos punções (CENTRO PAULA SOUZA, 2010). GUIA DE CHAPA: O objetivo da guia de chapa ou guia lateral é guiar a tira do produto dentro do estampo, deixando uma folga que possibilite a passagem da tira sem interferência, que geralmente é cerca de 20% da espessura da chapa. O material de fabricação das guias pode ser SAE 1045 ou VND e posterior a sua fabricação, deve-se aplicar o tratamento térmico adequado para garantir sua durabilidade e resistência a fricção da tira. Podemos ver a montagem da guia lateral na figura 18. 28 Figura 18 – Guia Lateral (CENTRO PAULA SOUZA, 2010). MATRIZ: A matriz (figura 19) é um elemento fundamental do estampo, pois é nela que se encontra o perfil negativo da peça a ser produzida, é fixada na base inferior através de parafusos e seu alinhamento é garantido através dos pinos guia, de modo a formar um conjunto sólido. Assim como o punção deveser fabricada com aço liga, temperado e revenido e possuir um acabamento finíssimo. Nomenclatura: Ø – Diâmetro T - Talão Figura 19 – Matriz (CENTRO PAULA SOUZA, 2010). Todas as matrizes devem levar em conta algumas características que são fundamentais para o bom desempenho do estampo como possuir ângulo de saída para auxiliar o escoamento do material, folga ajustada entre o punção e a matriz de acordo com a espessura da tira e uma altura do talão adequada, pois é ela que determina a quantidade de afiações possíveis. BASE INFERIOR: É uma placa que serve de apoio à placa matriz e fixa a esta por meio de parafusos e pinos de guias. É constituída de aço 1020 a 1030 ou ferro fundido. 29 Quando o produto obtido sai pela parte inferior da matriz, a base inferior terá uma cavidade maior, para facilitar sua saída (SENAI, 2006). Também conhecida como Placa Base pode ser simples (figura 20), onde simplesmente apoia a placa matriz, semi-embutida (figura 21), onde aloja parcialmente a placa matriz e embutida (figura 22), onde aloja totalmente a placa matriz. Figura 20 – Base inferior simples (SENAI, 2006). Figura 21 – Base inferior semi-embutida (SENAI, 2006). Figura 22 – Base inferior embutida (SENAI, 2006). 30 2.1.4 Martelo deslizante O Martelo deslizante é uma ferramenta utilizada para diversos tipos de serviços, como auxiliar na restauração da lataria de automóveis, extrair homocinéticas, extrair pinos e colunas guia em moldes de estampo, entre outras aplicações. Ele possui uma haste cilíndrica onde corre uma bucha (martelo) e a haste possui, em uma das pontas, um dispositivo para fixar a ferramenta, seja um parafuso, um saca polia, entre outros e na outra extremidade ela possuí uma “cabeça” fixa na haste, onde o martelo exerce o impacto, gerando uma força suficiente para realização do trabalho, conforme ilustrado na Figura 23. Figura 23 – Martelo deslizante com ponta intercambiável para diversas aplicações (https://www.canaldapeca.com.br/p/1528313/martelo-deslizante-sacador-otc-4579-unitario) Seu princípio de funcionamento é baseado no carregamento de impacto, mais especificamente impacto de batida. “O impacto de batida refere-se a uma colisão real de dois corpos, como em um martelo ou na eliminação da folga entre partes de contato”. (NORTON, 2013). Onde a energia cinética gerada pelo movimento do martelo é convertida em energia potencial na “cabeça” fixa na haste. A escolha dos materiais para construção de uma ferramenta deste tipo tem que ser bem minuciosa, pois o impacto não pode causar deformação permanente, ou seja, a tensão precisa permanecer na região elástica, caso isso não aconteça não será possível a utilização da ferramenta diversas vezes, pois na primeira utilização a mesma deformaria e ficaria inutilizada. Se a massa do objeto impactante m é grande comparada a massa do objeto impactado mb e se o objeto impactante pode ser considerado rígido, então a energia cinética contida pelo objeto impactante pode ser igualada à energia elástica armazenada pelo objeto impactado na sua deflexão máxima (NORTON, 2013). Porém está igualdade não é exata é apenas aproximada, pois para que isso acontecesse os dois corpos teriam que atingir suas tensões máximas no mesmo instante, o que não ocorre na prática. 31 Visando a utilização deste tipo de ferramenta na manutenção de estampos, pode-se dizer que muitas vezes elas não seguem todos estes critérios de fabricação, pois se utiliza sobras de materiais para fabricação de uma ferramenta deste tipo, gerando assim mais uma condição de risco para o colaborador que utiliza esta ferramenta, além é claro dos riscos físicos como esmagamentos em partes da mão ou riscos ergonômicos, pois executa um esforço repetitivo podendo causar LER (Lesão por Esforço Repetitivo). 2.2 Materiais Material: [Do latim materiale] Pertencente ou relativo a matéria. Matéria: [Do latim materia] Qualquer substância sólida, líquida ou gasosa que ocupa lugar no espaço (FERREIRA,1987). Os materiais estão ligados ao mundo há séculos. Comunicação, construção, habitação, produtos em geral, transporte e vestuário são alguns dos exemplos de materiais que podemos encontrar no nosso dia a dia. Ancestrais do homem tiveram contato somente com os materiais naturais encontrados na época, como: argila, madeira, pedra e outros. Contudo, com o desenvolvimento e avanço da humanidade gerou a necessidade de produzir e aperfeiçoar os materiais. Assim, encontraram técnicas para a confecção de materiais que tinham propriedades superiores à dos produtos naturais; entre eles estão a cerâmica e os metais. E também, defrontaram que as propriedades de um material conseguiriam ser modificadas devido aos tratamentos térmicos. A escolha do material era submetida a um processo de seleção, onde um grupo concernentemente restrito de materiais disponíveis era definido para uma determinada aplicação em função de suas características. Dessa forma, dezenas de milhares de materiais foram criadas com características peculiares que consideram as necessidades do mundo moderno; incluem entre tantos, as fibras, metais, plásticos e vidros. Sendo assim, a existência de bens tecnológicos em nossas vidas se dá à evolução das tecnologias juntamente com a escolha correta e acessível dos materiais na qual resultam numa alta performance na aplicação desejada. Portanto, o embasamento literário, a pesquisa científica, os ensaios laboratoriais e a gama de materiais disponíveis são inerentes ao processo de escolha do material apropriado. 32 2.2.1 Escolha dos materiais A grande parte dos materiais quando em fase de execução estão sujeitos a forças, sendo assim é necessário o total conhecimento de suas características para verificação do seu comportamento perante as possíveis variações antes da sua implementação. “O comportamento mecânico de um material reflete a relação entre a sua resposta ou deformação a uma carga ou força que esteja sendo aplicada.” (CALLISTER, 2000) Dentre as propriedades mecânicas mais importantes estão a dureza, a ductilidade, a resistência e a rigidez. Essas propriedades mecânicas são examinadas em testes laboratoriais de alto nível, onde se preveem todas as inconstâncias do material reproduzindo lealmente sua aplicação na vida real. Deve-se considerar também a carga aplicada e a permanência da sua aplicação. A carga possui três vertentes: a tração, a compressão e o cisalhamento (Figuras 24 a,b,c,d) e a duração da aplicação pode avariar desde milésimos de segundo à alguns minutos. Figura 24 – (a) Ilustração esquemática de como uma carga de tração produz um alongamento e uma deformação linear positiva. As linhas tracejadas representam a forma antes da deformação; as linhas sólidas, após a deformação; (b) Ilustração esquemática de como uma carga compressiva produz uma contração e uma deformação linear negativa; (c) Representação esquemática da deformação de cisalhamento γ, onde γ= tanΘ. (d) Representação esquemática da deformação torcional (isto é, com ângulo de torção Φ) produzida pela aplicação de um torque T (CALLISTER, 2000). 33 2.2.2 Diagrama de fases Fases Fase significa uma determinada parcela homogênea de um conjunto que se encontram características físicas e químicas iguais. Caso contenha mais de uma fase em um determinado conjunto, cada fase haverá propriedades individuais próprias, e terá uma margem dividindo as fases, cuja qual haverá alteração descontínua e súbita nas características físicas e/ou químicas. Quando duas fases pertencem a um conjunto, não é obrigatório que tenham diferenças nas propriedades físicas como nas propriedades químicas; uma desigualdade em um ou no outro grupo de propriedades já é o bastante. Às vezes, um conjunto que contém uma única fase é denominado dehomogêneo. Conjuntos que contenham duas ou mais fases são denominados misturas ou conjuntos heterogêneos. A maioria das ligas metálicas e, assim como, conjuntos cerâmicos, poliméricos e compósitos são heterogêneos. Microestrutura Na maioria das vezes, as propriedades físicas, mais especificamente, o comportamento mecânico de um material depende da microestrutura. Nas ligas metálicas, a microestrutura é determinada pelo número de fases presentes, por suas proporções, e pela maneira a qual estão divididas ou dispostas. A microestrutura de uma liga depende de algumas variáveis, dentre elas, elementos de liga presentes, suas concentrações e o tratamento térmico da liga, ou seja, o tempo de aquecimento à temperatura do tratamento e a taxa de resfriamento até a temperatura ambiente. O procedimento de preparos de superfícies com cuidado e esmero é necessário para apresentar os detalhes importantes da microestrutura. Dessa forma, segue sucintamente a ordem do procedimento; inicialmente, a amostra deve ser lixada e polida, até obter um acabamento liso e espelhado e em seguida, recebe um tratamento de superfície de reagente químico adequado. Assim, as diferentes fases podem ser separadas pelas suas aparências. Como exemplo, a liga bifásica, como mostra a Figura 25, na qual uma fase pode aparecer clara e a outra escura. 34 Figura 25– Microestrutura de um aço carbono simples com 0,44%p de C. As grandes áreas escuras são ferrita proeutetóide. As regiões que apresentam estrutura lamelar alternando entre claro e escuro são perlita; as camadas escuras na perlita correspondem, respectivamente, às fases ferrita e cementita. (CALLISTER, 2000). Porém, quando somente uma única fase está presente, a textura é constante, com exceção dos contornos dos grãos, que podem estar revelados conforme Figura 26. Figura 26– Fotomicrografia da superfície de uma amostra de uma liga ferro-cromo policristalina, polida e atacada quimicamente, onde os contornos dos grãos aparecem escuros. Ampliação de 100X. SMITH e BRADY (apud CALLISTER, 2000). 35 Equilíbrio de Fases Este termo, equilíbrio, é um termo essencial, porém é mais bem descrito em termos de uma grandeza termodinâmica conhecida por energia livre. Em sumo, a energia livre é uma desordem dos átomos ou moléculas e também função da energia interna de um sistema. Denomina-se um sistema em equilíbrio se a sua energia livre se encontra em um valor mínimo para alguma combinação específica de composição, pressão e temperatura. A expressão equilíbrio de fases significa o equilíbrio, uma vez que se aplica a sistemas nos quais pode existir mais de uma fase. Diversos sistemas metalúrgicos e de materiais de interesse, o equilíbrio de fases envolve somente de fases sólidas. Nesse sentido, o estado do sistema está refletido nas características da microestrutura, cuja necessariamente não inclui somente as fases presentes e as suas composições, mas, além disso, as quantidades relativas das fases e os seus arranjos ou distribuições espaciais. Um estado de não-equilíbrio ou metaestável é quando um estado de equilíbrio nunca é completamente atingido, pois a taxa segundo a qual se chega ao equilíbrio é extremamente lenta. Um estado ou microestrutura metaestável pode persistir indefinidamente, sofrendo alterações extremamente pequenas e imperceptíveis com o passar do tempo. A resistência de alguns aços e de ligas de alumínio depende do desenvolvimento de microestruturas metaestáveis no decorrer dos tratamentos térmicos. (CALLISTER, 2000) Diagrama de Fases em condições de equilíbrio Diversos dados sobre o controle da microestrutura ou da estrutura das fases de um sistema de ligas específico são mencionados de maneira conveniente e sucinta no que é denominado diagrama de fases, também frequentemente chamado de diagrama de equilíbrio ou diagrama constitucional. As microestruturas se desenvolvem a partir de transformações de fases, as mudanças que ocorrem entre as duas fases quando a temperatura é alterada. Isso pode ocasionar a transição de uma fase para outra, ou o aparecimento ou desaparecimento de uma fase. Os diagramas de fases são extremamente necessários para prever as transformações de fases e as microestruturas resultantes, que podem revelar caráter de equilíbrio ou de ausência de equilíbrio. Os diagramas de fases em equilíbrio representam as relações entre temperatura e as condições de equilíbrio. Existem diversos tipos de diagramas diferentes; porém, a temperatura e a composição são os parâmetros variáveis para ligas binárias. Uma liga binária é uma que contém dois componentes. Se mais que dois componentes estiverem presentes, os diagramas de fases se tornam extremamente complexos e difíceis de serem representados. 36 Os princípios empregados para controle da microestrutura com o auxílio de diagrama de fases podem ser ilustrados através de ligas binárias, mesmo que, na realidade, a maioria das ligas contenha mais do que dois componentes. Para um sistema binário com composição e temperatura conhecidas e que se encontram em equilíbrio, pelo menos três tipos de informação estão disponíveis: (1) as fases que estão presentes, (2) as composições dessas fases, (3) as porcentagens ou frações das fases. O estabelecimento de quais são as fases presentes é referentemente simples. Precisa- se somente localizar o ponto temperatura-composição no diagrama de fases e observar com qual fase o campo de fases correspondente está indicado. Uma liga com composição 60%p Ni – 40%p Cu a 1100°C estaria localizada no ponto A na Figura 27; uma vez que esse ponto encontra-se dentro da região α, exclusivamente a fase α estará presente. Por outro lado, uma liga com composição de 35%p Ni – 65%p Cu que se encontra a 1250ºC (ponto B) consistirá tanto na fase α como na fase líquida, estas em equilíbrio. Figura 27– Diagrama de fases cobre-níquel (CALLISTER, 2000). Sistema Ferro-Carbono 37 De todos os sistemas de ligas binárias, o que é factivelmente o mais importante é aquele formado pelo ferro e o carbono. Tanto os aços como os ferros fundidos, que são os principais materiais estruturais em toda e qualquer cultura tecnologicamente avançada, são fundamentalmente ligas de ferro-carbono. Assim, a seguir, analisa-se o diagrama de fases para este sistema e ao desenvolvimento de várias das possibilidades de microestruturas. O Diagrama de Fases Fe – Fe3C A Figura 28 apresenta uma parte do diagrama de fases do ferro-carbono. Segundo CALLISTER, o ferro puro, ao se elevar a temperatura, forma duas alterações na sua estrutura cristalina antes de fundir. À temperatura ambiente, a forma estável, conhecida por ferrita, ou ferro α, possui uma estrutura cristalina CCC. Com a elevação da temperatura, a ferrita promove uma transformação polimórfica para a austenita, com estrutura cristalina CFC, ou ferro γ, à temperatura de 912ºC (1674ºF). Essa austenita se mantém até 1394ºC (2541ºF), temperatura em que a austenita CFC reverte novamente em para uma fase com estrutura CCC, conhecida por ferrita δ, a qual por fim se funde a uma temperatura de 1538ºC (2800ºF). O eixo das composições na Figura 28 somente menciona até 6,7%p C; nesse momento, se forme o composto intermediário carbeto de ferro, ou cementita (Fe3C), demonstrado pela linha vertical no diagrama. Dessa forma, o sistema ferro-carbono pode ser dividido em duas porções: uma porção rica em ferro, como na Figura 28; e a outra (não mostrada) para composições superiores entre 6,70 e 100%p C (grafite puro). Na prática, todos os aços e ferros fundidos possuem teores de carbono inferiores a 6,70%p C, portanto considerou-se somente o sistema ferro-carbeto de ferro. O carbono é uma impureza intersticial no ferro e forma uma solução sólida tanto com a ferrita α como com a ferrita δ,e também com a austenita, como está mencionado pelos monofásicos α, δ e γ na Figura 28. Na ferrita α, com estrutura CCC, somente pequenas concentrações de carbono são solúveis; a solubilidade máxima é de 0,022%p a 727ºC (1341ºF). A solubilidade limitada pode ser explicada pela forma e pelo tamanho do grão das posições intersticiais nas estruturas CCC, que tornam difícil a realocação dos átomos de carbono. Mesmo os átomos de carbono estejam presentes em concentrações pequenas, o mesmo predomina de maneira significativa as propriedades mecânicas da ferrita. Essa fase ferro-carbono, em particular, pode se tornar magnética a temperaturas abaixo de 768ºC (1414ºF) e possui densidade de 7,88g/cm³. A Figura 29 é uma fotomicrografia da ferrita α. 38 A austenita, ou fase γ do ferro, quando conectada somente com o carbono, não é estável a uma temperatura inferior a 727ºC (1341ºF), como está mencionado na Fig.28. A solubilidade máxima do carbono na austenita, 2,14%p, ocorre a 1147ºC (2097ºF). Essa solubilidade é aproximadamente 100 vezes maior do que o valor máximo para a ferrita com estrutura CCC, uma vez que as posições intersticiais na estrutura cristalina CFC são maiores e, portanto, as deformações impostas sobre os átomos de ferro que se encontram em volta do átomo de carbono são muito menores. A Figura 30 mostra uma micrografia dessa fase austenita. Figura 28 – Diagrama de fases para o sistema ferro-carbeto de ferro (CALLISTER, 2000). 39 Figura 29 – Fotomicrografia da ferrita α (ampliação 90x). United States Steel Corporation (apud CALLISTER, 2000) Figura 30 – Fotomicrografia da austenita (ampliação de 325x). United States Steel Corporation (apud CALLISTER, 2000) 40 De acordo com CALLISTER, a ferrita δ é bem similar a ferrita α, exceto pela faixa de temperaturas em que cada uma se encontra. Sendo que a ferrita δ é estável somente a temperaturas comparativamente elevadas, ela não tem nenhuma importância tecnológica e sendo assim não será mais mencionada. A cementita (Fe3C) se origina no limite de solubilidade quando o carbono na ferrita α é extrapolado a temperaturas abaixo de 727ºC (1341ºF) (para composições dentro da região das fases α + Fe3C). Conforme Fig.28, o Fe3C também convive com a fase γ entre as temperaturas de 727 e 1147ºC (1341 e 2097ºC). Mecanicamente, a cementita é muito dura e frágil. A cementita é um material apenas metaestável, continuará indefinidamente à temperatura ambiente como um composto. Mas, se elevar a temperatura até entre 650 e 700ºC (1200 e 1300ºF) por vários anos, ela mudará gradualmente ou se transformará em ferro α e carbono, na forma de grafite, os quais se manterão logo após um imediato resfriamento até a temperatura ambiente. Sendo assim, o diagrama de fases da Figura 28 não reproduz um verdadeiro diagrama de equilíbrio, pois a cementita não é um composto em condições de equilíbrio. Entretanto, uma vez que a taxa de decomposição da cementita é extremamente vagarosa, teoricamente todo o carbono no aço permanecerá na forma de Fe3C, e não de grafite, e o diagrama de fases para o sistema ferro-carbeto de ferro estará válido para todos os usos práticos. As regiões bifásicas estão mostradas na Figura 28 e pode ser verificado que há um eutético para o sistema ferro-carbeto de ferro, localizado a 4,30%p C e 1147ºC (2097ºF); para essa reação eutética, Líquido (L) γ + Fe3C (2.0) O líquido se solidifica para formar as fases austenita e cementita. Claramente, o resfriamento na sequência até a temperatura ambiente resultará em mudanças de fases adicionais. Pode ser notado que há um ponto invariante eutetóide para uma composição de 0,76%p C e a uma temperatura de 727ºC (1341ºF). Essa reação eutetóide pode ser observada pela expressão γ(0,76%p C) α(0,22%p C) + Fe3C(6,7%p C) (2.1) ou, por meio de resfriamento, a fase, sólida, se transforma em ferro α e em cementita. resfriamento aquecimento resfriamento aquecimento 41 Segundo CALLISTER (2000), as ligas ferrosas são aquelas nas quais o ferro é o principal componente, mas o carbono, assim como os outros elementos de formação de liga, poderão estar contidos. No esquema de classificação das ligas ferrosas com base no teor de carbono, existem três tipos de ligas: ferro, aço e ferro fundido. O ferro comercialmente puro contém menos do que 0,008%p C e, a partir do diagrama de fases, é composto à temperatura ambiente quase que predominantemente pela fase ferrita. As ligas ferro-carbono que contém 0,008 e 2,14%p C são classificadas como aços. Na grande parte dos aços, a microestrutura consiste tanto na fase α como de fase Fe3C. Com o resfriamento à temperatura ambiente, uma liga dentro dessa porção de composições deve atingir através de pelo menos uma porção do campo da fase γ; continuamente, são geradas microestruturas distintas. Embora uma liga de aço possa conter até 2,14%p C, no dia a dia, as concentrações de carbono dificilmente excedem 1%p. Os ferros fundidos são classificados como ferrosas que contêm entre 2,14 e 6,70%p C. Embora, os ferros fundidos comerciais contêm normalmente menos que 4,5%p C. 2.3 Pneumática A origem da palavra pneumática é grega, e deriva-se de “pneuma” que pode significar fôlego, vento, sopro. Tem-se por conceito de pneumática como sendo a matéria que trata dos movimentos e fenômenos dos gases (FIALHO, 2003). Registros históricos relatam que a pneumática é velha conhecida da humanidade, o grego Ktesíbios é considerado o primeiro a utilizar o ar comprimido como meio para realizar trabalhos. Apesar disso foi apenas após 1950 que a pneumática começou a ser usada com mais ênfase no meio industrial, pois cada vez mais os processos de trabalho exigiam ser automatizados e rápidos, para uma produção em massa. 2.3.1 Pressão Em termos de pneumática, define-se pressão como sendo a força exercida em função da compressão do ar em um recipiente, por unidade de área interna dele (Figura 31).(FIALHO, 2003) Sua unidade no sistema internacional é o Pa (Pascal) ou N/m², apesar de ser comum a utilização de unidades como atm, bar, kfg/mm² e Psi. 42 Figura 31 – Recipiente de ar comprimido (FIALHO, 2003). Em um atuador pneumático a pressão (P) é a relação entre a força (F) que se opõe ao movimento de extensão de um atuador e a seção transversal interna dele (área do pistão Ap, Figura 32) Figura 32 – Pressão em um atuador pneumático (FIALHO, 2003). 𝐏 = 𝐅 𝐀𝐩 (2.2) 2.3.2 Ar comprimido Uma das principais vantagens da pneumática sobre a hidráulica é o tipo de fluido utilizado no seu processo, no caso o ar, é um elemento de fácil acesso e de baixo custo e pode ser utilizado em vários processos de automatização, abaixo segue algumas de suas características, vantagens e desvantagens: Quantidade: O ar para ser comprimido é abundante em todos os meios Transporte: É facilmente transportado por tubulações, mesmo em grandes distâncias. E diferente dos sistemas hidráulicos não precisa de linhas de retorno, pois não existe preocupação com o retorno do ar. Temperatura: O ar comprimido é insensível as variações de temperatura, permite um funcionamento seguro mesmo em temperaturas extremas. 43 Armazenamento: Outra vantagem em relação ao processo hidráulico é que o ar pode ser armazenado em um reservatório, o compressor não precisa estar em funcionamento contínuo. Segurança: Ar comprimido não apresenta risco de explosão ou incêndio, e se um cano, tubulação, mangueira rompe o dano não é grande, pois a pressão do ar utilizada em pneumática é baixa (6 a 12 bar). Mas, uma vantagem comparada a hidráulica, que trabalha com pressões da casa de 350 bar. Impacto Ambiental: O ar comprimido não polui o ambiente, mesmo que exista o vazamento por tubulaçõesou componentes maus vedados não teria problema, pois o ar comprimido é limpo. Este fato torna a pneumática um sistema excelente e eficiente para aplicação na indústria alimentícia e farmacêutica (FIALHO, 2003). Construção: Como a pressão de trabalho é baixa podemos usar elementos feitos de materiais mais leves, menos robustos, dentre eles a liga de alumínio, o que torna o custo da construção menor. Velocidade: Pode-se alcançar altas velocidades de trabalho, em cilindros pneumáticos varia de 1 a 2 m/s. Regulagem: Não possui escala de regulagem, regula-se os elementos em velocidade e força, dependendo da aplicação, indo do zero ao máximo que o elemento consegue. Proteção contra sobrecarga: “Diferentemente dos sistemas puramente mecânicos ou eletroeletrônicos, os elementos pneumáticos podem ser solicitados, em carga, até parar, sem sofrer qualquer dano, voltando a funcionar normalmente tão logo cesse a resistência” (FIALHO, 2003). Sistemas pneumáticos apresentam alguns problemas também, como os citados a seguir: Preparação: Para um bom rendimento e uma maior vida útil dos componentes o ar comprimido precisa estar em boa qualidade, sem impurezas e umidade, o que demanda um período de preparação e uso de filtros e purgadores. Compressibilidade: Todos os gases são compressíveis e esta característica não permite o uso da pneumática com velocidades uniformes e constantes. Força: A pressão normal de trabalho nas indústrias é de 6 bar, isso limita a força gerada, assim só é possível chegar até a 48250 N. Escape de Ar: O ar é ruidoso, e quando ele passa por um atuador pode fazer um som relativamente alto. Este problema tem sido contornado com o uso de silenciadores. Custos: Implantar um sistema pneumático em uma fábrica pode ser oneroso, pois precisa de preparação, distribuição e manutenção do sistema para se evitar vazamentos. Mas o gasto com energia acaba sendo compensado pela rentabilidade do processo. 44 2.4 Análises de custo Na realização de um projeto, seja ele um novo equipamento, uma nova linha de produção, uma expansão na empresa ou até mesmo uma nova fábrica, se faz necessário uma análise econômica do investimento. Esta análise é feita através de um minucioso levantamento dos custos e das receitas adicionais decorrentes do investimento. Custos podem ser classificados da seguinte forma, custo de investimento e custos operacionais. O custo de investimento é subdivido em dois tipos segundo FILHO (2010): - Custo fixo: Representa os equipamentos, instalações industriais necessárias para operação deste equipamento (rede de energia elétrica, vapor, água, ar comprimido, etc), a montagem e o projeto quando houver, reformas e construções civis necessárias. - Custo de giro: Trata-se de um capital que pode ser usado para a operação do equipamento, para o estoque de matérias primas e componentes ou até mesmo como recurso necessário para sustentar as vendas a prazo. Ao final da vida de um equipamento, ou até mesmo de uma fábrica, o capital investido nos custos fixos será vendido por um valor residual estimado e o custo de giro é desativado. Custos operacionais englobam os custos de produção e as despesas gerais. Os custos de produção ocorrem até a fabricação do produto. A aquisição de matérias primas e sua manutenção constituem uma análise envolvendo custos de produção. Despesas gerais ocorrem após a fabricação até o momento da venda, como exemplos podemos citar as despesas com vendas e impostos sobre faturamento. Custos de produção podem ser diretos e indiretos. Custos diretos variam de maneira direta com a utilização da capacidade de produção, são exemplos: matérias primas, embalagens, materiais auxiliares, fretes, mão de obra direta, consumo de energia elétrica, combustível, água industrial, etc. Atentando que mão de obra direta é aquela que lida com o produto ou opera equipamentos de fabricação. (FILHO, 2010) Custos indiretos não variam proporcionalmente à produção e podem até ser considerados fixos em alguns casos. São exemplos a mão de obra indireta, manutenção, seguros, o gasto de energia elétrica, despesas de aluguel, etc. Despesas gerais, que como dito fazem parte dos custos operacionais, também podem ser classificadas como diretas e indiretas. Exemplos são impostos (estaduais), despesas com vendas, gastos financeiros. No caso das indiretas, são despesas administrativas e impostos municipais. Finalmente sobre receitas tem-se sua definição como sendo um valor recebido, uma entrada geralmente em forma de dinheiro proveniente da venda de produtos ou serviços. As receitas adicionais decorrentes de uma nova fábrica, de um novo equipamento ou ferramenta 45 normalmente são apenas operacionais, ou seja, o produto do aumento de produção pelo preço unitário, sendo que alguns equipamentos são de difícil associação com o volume de produção (FILHO, 2010). 2.5 Ergonomia Ergonomia (ou fatores humanos) é uma disciplina científica que estuda as interações dos homens com os outros elementos do sistema, fazendo aplicações da teoria, princípios e métodos de projeto, com o objetivo de melhorar o bem-estar humano e o desempenho global do sistema. Associação Internacional de Ergonomia (apud WEERDMESTER, 2004). A ergonomia pode auxiliar para resolver um grande número de problemas sociais relacionados com a saúde, segurança, conforto e eficiência. Muitos acidentes podem ser causados por erros humanos. Estes incluem acidentes com aviões, carros, tarefas domésticas, entre outros. Averiguando-se os acidentes é capaz de chegar à conclusão que são causados pela utilização inadequada entre os operadores e suas tarefas. A chance de ocorrência dos acidentes pode ser minimizada quando se consideram adequadamente as capacidades e limitações humanas e as características do ambiente, durante o projeto do trabalho. Finalmente, a ergonomia pode contribuir para a preservação de erros, melhorando o desempenho. 2.5.2 Postura e Movimento A postura e o movimento corporal têm grande importância na ergonomia. Tanto no trabalho como na vida cotidiana, eles são determinados pela tarefa e pelo posto de trabalho. Para efetuar uma postura ou um movimento, são acionados diversos músculos, ligamentos e articulações do corpo. Os músculos fornecem a força necessária para o corpo adotar uma postura ou realizar um movimento. Os ligamentos desempenham uma função auxiliar, enquanto as articulações permitem um deslocamento de partes do corpo em relação às outras. Posturas e movimentos inadequados produzem tensões mecânicas nos músculos, ligamentos e articulações, resultando em dores no pescoço, costas, ombros, punhos e outras partes do sistema músculo-esquelético (WEERDMESTER, 2004). 2.5.3 Base Biomecânica 46 Restrinja a duração do esforço muscular contínuo A tensão contínua de certos músculos do corpo, como resultado de uma postura prolongada ou de movimentos repetitivos, provoca fadigas musculares localizadas, resultando em desconforto e queda do desempenho. Quanto maior o esforço muscular, menor se torna o tempo suportável conforme Figura 33. A maioria das pessoas não consegue manter o esforço muscular máximo além de alguns segundos. Com 50% do esforço muscular máximo, o tempo suportável é de aproximadamente dois minutos. Figura 33 - Duração de um esforço muscular (%) em relação à duração de tempo (minutos) (SILVA, 2011) 47 3 METODOLOGIA Para realização deste trabalho de graduação, o embasamento teórico sobre os itens relacionados à ideia proposta como apresentação do processo de estampagem foi adotado em primeiro lugar, seguida de uma breve explicação sobre prensas e também uma explanação sobre moldes de estampo e seus elementos. Em sequência, um embasamento sobre os tipos de cálculos envolvidos no desenvolvimento da ferramenta proposta, um estudo sobremateriais e suas características, uma apresentação sobre pneumática, uma sucinta explicação sobre engenharia econômica para realização dos custos da ferramenta e uma breve explicação sobre ergonomia. Após a elaboração do embasamento teórico realizou-se um estudo de caso sobre os pontos negativos da ferramenta utilizada atualmente, os principais acidentes sofridos pelos colaboradores que utilizam esta ferramenta e as consequências que a utilização da mesma pode causar no decorrer do tempo. Logo após, partiu-se para o desenvolvimento da ferramenta Saca Pino Pneumático, iniciando pelos cálculos necessários para que a ferramenta execute a operação cuja qual será proposta. Com o resultado dos cálculos iniciou-se o dimensionamento da ferramenta, para tanto, executou-se um esboço no software AUTO CAD, em seguida, realizou a seleção dos materiais necessários para execução da ferramenta, visando que a mesma seja eficiente, leve e suporte os esforços à que será submetida. A escolha dos elementos pneumáticos para o acionamento da ferramenta será realizada após a obtenção das principais informações à respeito do dimensionamento da ferramenta e a modelagem da mesma será executada no software paramétrico Solid Edge. A análise de custos constituiu a última etapa deste trabalho, realizando um fechamento conclusivo e justificado. Terminado o processo de desenvolvimento, iniciou-se a parte de custos, onde serão cotados os materiais envolvidos, a fabricação e a montagem das peças. Com o custo de fabricação finalizado, realizou a fabricação do protótipo. Em seguida, comparação custo versus benefício da ferramenta proposta e a ferramenta utilizada atualmente, comparando tanto o custo de cada uma, como a praticidade na operação, os riscos a que o colaborador está exposto e a relação do desempenho de cada uma. E por fim, realizou uma simulação com o protótipo, cujo teste foi gravado um vídeo do funcionamento da ferramenta proposta. 48 3.1 Estudo de caso Como dito anteriormente a ferramenta utilizada atualmente é o martelo deslizante, porém a sua utilização implica em certos desconfortos e riscos ao operador. A ferramenta atual, dependendo do seu tamanho, costuma ser pesada e de difícil manuseio, pois, como a confecção utiliza sobras de materiais, às vezes, tem um certo tamanho e peso excessivos, e por isso, requer um esforço físico desnecessário até mesmo para montá-lo sobre o molde e aparafusa-lo no pino guia. Como em uma de suas pontas o parafuso é soldado, requer que toda a ferramenta seja rotacionada, gerando ainda mais esforço, e além do desconforto para montar a ferramenta, temos o manuseio da mesma onde o operador necessita uma força física para gerar impacto na “cabeça” do martelo deslizante e assim conseguir remover o pino. Decorrente deste esforço de manuseio da ferramenta pode- se ocasionar vários acidentes e riscos a saúde do operador como: Esmagamento de partes da mão - quando o operador segura a bucha e a desliza para gerar o impacto na “cabeça”, pode acontecer de prensar partes da mão entre a bucha e a “cabeça”, às vezes podendo até mesmo causar uma lesão um pouco mais séria; Lesão por esforço repetitivo (LER) – Devido ao fato do operador executar sempre o mesmo movimento, o deixa vulnerável a este tipo de lesão; Problemas na coluna – Como normalmente o molde fica em cima de uma bancada ou mesmo no chão, a posição de utilização da ferramenta é desconfortável e acaba acarretando em problemas futuros na coluna. Para sanar estes problemas foi desenvolvido o Saca Pino Pneumático. Devido a ferramenta ser de acionamento totalmente pneumático, elimina qualquer tipo de esforço de manuseio, limitando o colaborador em apenas apertar um gatilho para acionar a ferramenta. Pensando em uma ferramenta prática e de fácil movimentação, a mesma foi projetada com tamanho reduzido e de fácil manuseio, para cada componente da ferramenta foi determinado um tipo de material que suporte os esforços a que serão submetidos, porém que possa ser leve e não exponha o colaborador a qualquer risco, principalmente o risco de esmagamento de partes da mão. Como a ideia é a confecção de uma ferramenta que ainda não se encontra no mercado, realizou-se um esboço de como a mesma seria e pode ser observado na Figura 34. 49 Figura 34 – Esboço inicial do Saca Pino Pneumático Seu princípio de funcionamento é bem simples, o êmbolo ao entrar em contato com a base superior gera uma força de impacto e essa força é responsável pela remoção do pino guia. 3.2 Cálculos Os pinos guia seguem a norma DIN 7979 com um ajuste forçado duro H7-m6, ou seja, são montados com o auxílio de um martelo, porém passíveis de montagens e desmontagens sem degradação das peças. Em uma extremidade ele possui uma rosca interna para sua remoção, isso nos casos em que o pino deve ficar totalmente alojado. Devido a este ajuste é necessária uma pequena força para remoção dos mesmos, porém como estes moldes trabalham muitas vezes em um processo onde o mesmo sofre aquecimento e resfriamento repetidas vezes, estes pinos acabam travando, seja por ferrugem ou pequenos dilatamentos, o que dificulta um pouco a remoção dos mesmos. Para que a ferramenta proposta possa executar a remoção dos pinos, foram necessários alguns cálculos para saber qual a força de impacto gerada pela mesma e para tanto utilizou a equação do cálculo da força gerada pela pressão do sistema pneumático (Eq. 3.0) e a força gerada pelo movimento cinemático do êmbolo (Eq. 3.1). 𝐹 = 𝑃. 𝐴 (3.0) 50 Onde, F – Força (N) P – Pressão (Pa) A – Área (m2) 𝐹 = 𝑚. 𝑎 (3.1) Onde, F – Força (N) m – massa (Kg) a – Aceleração (m/s) Como neste caso o comprimento do cilindro é pequeno, inferior a um metro, o momento linear é desprezado e a força de impacto gerada será a somatória destas duas forças. E com algumas informações iniciais que foram determinadas e medidas, montou-se a tabela 2 com o valor destas variáveis. Tabela 1 – Valores medidos. Variável Símbolo Unidade Valor Tempo t Segundo (s) 0,5 Comprimento útil do cilindro l Metro (m) 0,145 Diâmetro do êmbolo d Metro (m) 0,048 Massa do êmbolo m Quilograma (Kg) 0,408 Pressão P Pascal (Pa) 6x105 Porém para a obtenção da área (A) necessária na equação 3.0 e da aceleração (a) necessária na equação 3.1, precisou-se utilizar as equações da área do circulo (Eq. 3.2), equação do deslocamento (Eq. 3.3) e equação da velocidade (Eq. 3.4), descritas a seguir: 𝐴 = 𝜋. 𝑑2 4 (3.2) Onde, A – Área do cilindro (m2); π – Constante; d – diâmetro do embolo (m). 51 𝑆 = 𝑆0 + 𝑉. 𝑡 (3.3) Onde, S – Deslocamento (m), ou o comprimento útil do cilindro; S0 – Deslocamento inicial (m); V – Velocidade (m/s); t – tempo (s). 𝑉 = 𝑉0 + 𝑎. 𝑡 (3.4) Onde, V – Velocidade final (m/s); V0 – Velocidade inicial (m/s); a – Aceleração (m/s2); t – tempo (s). Substituindo as variáveis nas equações chegou-se nos seguintes resultados: 𝐴 = 𝜋. 0,0482 4 = 1,81 x 10-3 m2 0,145 = 0 + 𝑉. 0,5 V = 0,145 0,5 = 0,29 m/s 0,29 = 0 + 𝑎.0,5 a = 0,29 0,5 = 0,58 m/s2 Com a obtenção destas variáveis pode-se calcular as duas forças descritas nas Equações 3.0 e 3.1. 𝐹 = 6 𝑥 105 . 1,81 𝑥 10−3 = 1.086 N 𝐹 = 0,408 . 0,58 = 0,24 N Somando os dois resultados obtêm-se, 52 𝐹 =0,24 + 1086 = 1.086,24 N Sendo assim chega-se a uma força de impacto de 1.086,24 N, com uma ferramenta de 145 mm de comprimento útil do cilindro e um êmbolo de 48 mm de diâmetro. 3.3 Desenhos da ferramenta Após a realização dos cálculos e dimensionamento das partes importantes da ferramenta, iniciou-se o processo de desenho da ferramenta com auxílio de software. A Figura 35 representa o esboço
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