Semana 7 - Revisão - Processos industriais EPP001

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TÓPICOS abordados
1. INTRODUÇÃO
2. Tolerâncias dimensionais, ajustes e desvios
3. Sistemas de ajuste ISO-ABNT; Tolerâncias geométricas
4. Rugosidade Superficial; Planejamento de processos de manufatura
5. Planejamento de roteiros e processos de manufatura
6. Sobremetal de usinagem; Operações de usinagem; Torneamento e brochamento
7. Retificação Interna e Externa; Usinagem de carcaças; Mandrilhamento
8. Tratamentos térmicos e processo de manufaturA
9. COnsiderações finais
1. INTRODUÇÃO
Empresas industriais atuam por meio de uma complexa rede de relações entre sua cadeia de suprimento, seus colaboradores, sua administração, seus acionistas e seus clientes (todos esses elementos recebem a denominação genérica de steakholders, ou partes interessadas na organização e seus feitos). Em alguns casos, onde existe inserção internacional, órgãos governamentais e não-governamentais e outras unidades fabris também podem estar relacionados. Uma parte essencial dessa rede de relações diz respeito ao campo do conhecimento que reflete as tecnologias que apoiam a produtividade e a qualidade dos produtos produzidos: trata-se das tecnologias de fabricação ou de manufatura.
Em particular, no Brasil, essa área recebeu forte impulso a partir de 1991 sendo denominada tecnologia indústria fundamental ou mais simplesmente “indústria de base”. Referia-se à produção de insumos para apoiar as futuras atividades de manufatura, como por exemplo, equipamentos para operações industriais básicas (como ferramentas de corte e usinagem, sensores de posição e temperatura, fornos para produção de metais como aço e alumínio e reatores para indústria petroquímica). Mais recentemente, a partir da segunda metade dos anos 2000, com a significativa melhoria dos recursos de informática (computadores com maior capacidade de processamento, tecnologias de rede de comunicação interna, ou intranets, e externa, a internet) novas necessidades se apresentaram para atuar de forma direta ou indireta na cadeia produtiva brasileira. Esta segunda vaga tecnológica foi denominada Indústria 4.0, e está baseada no uso da tecnologia de informação e na manipulação de grande quantidade de dados (ou big data), muitas vezes coletados em tempo real.
No entanto, mesmo com o apoio de toda essa base tecnológica fundamentada em automação e robótica, os diversos processos industriais não irão funcionar de forma adequada se não puderem ser executados por equipamentos confiáveis, acompanhados por sensoriamento adequado, em sequências de fabricação lógicas e que permitam maximizar seu desempenho e garantir a qualidade dos produtos. A simples implementação de tecnologias 4.0 por si só não garante aumento de produtividade nem é sinal de inovação. Desta forma, é importante relembrar que os conhecimentos relacionados aos Processos de Fabricação e Manufatura permanecem, ainda hoje, essenciais às atividades produtivas e sua abordagem introdutória é o objetivo desta disciplina.
2. TOLERÂNCIAS DIMENSIONAIS, AJUSTES E DESVIOS
As medidas nominais são aquelas previstas pelo desenho do projeto. Do ponto de vista tecnológico, essas especificações não são exigidas para os produtos, pois requereriam tempos e custos de usinagem e fabricação excessivamente longos, levariam à produção de excesso de não-conformidades ou refugos e geraria peças com precisão dimensional que, para a maioria dos casos, não seria necessária.
As necessidades de se criar regras para especificações e análises das tolerâncias foram motivadas pelo desenvolvimento da indústria bélica a partir da segunda metade do século XIX. A partir desses desenvolvimentos, nasceu o conceito de intercambialidade, no qual “tem-se a possibilidade de, quando se monta um conjunto mecânico, tomar-se ao acaso uma peça qualquer de um lote pronto e verificado, sem nenhum ajuste ou usinagem secundária, que dará condições para que o mecanismo funcione de acordo com o que foi projetado”.
Para suprir as necessidades das linhas de produção em série, os fabricantes começaram a produzir peças intercambiáveis, de modo que uma determinada peça, produzida em certa linha de produção em um local A possa ser utilizada na montagem de um conjunto em outra linha no local B, sem necessidade de ajustes.
Ajustes realizados com peças ou produtos normalizados são feitos em peças cujas tolerâncias são normalizadas, ou porque suas fabricações já são normalizadas, para redução de custo, ou ainda, porque a utilização de algumas peças com tolerâncias normalizadas provoca uma redução de custo quando unidas a outras, cujos ajustes e intercambialidade são adequados.
Além disso, é importante determinar as tolerâncias que devem ser respeitadas para que se possam produzir essas peças. Os principais tipos de tolerância são:
· Tolerâncias abertas são utilizadas em construção grosseira (também chamada pesada). Exemplos típicos: rolamentos em implementos agrícolas e peças de sistemas de freios para trens e ônibus.
· Tolerâncias de média precisão querem maior atenção que o caso anterior devido à maior probabilidade de falha. Exemplos: típicos: eixos de bombas de óleo e automóveis, retentores de transmissão.
· Ajustes de precisão são necessários onde eventos de não-conformidades com as especificações e tolerâncias inviabilizam a produção e/ou o funcionamento do produto. Exemplos típicos: Engrenagens corrediças em caixas de câmbio de automóveis, moldes de injeção de plásticos.
3. SISTEMAS DE AJUSTE ISO-ABNT; TOLERÂNCIAS GEOMÉTRICAS
Os valores de tolerância são tabelados para rugosidades (ou estrias) com grandezas normalizadas; se houver rugosidades não normalizadas, deve-se verificar se há necessidade de utilizar novas tolerâncias ou adapta-las caso a caso.
Rolamentos são peças utilizadas em muitos produtos da indústria metalomecânica e, por isso, são um exemplo bastante didático. O funcionamento de rolamentos depende fortemente de um ajuste adequado às condições de serviço, sendo também afetados pelo método de montagem e o jogo interno. Há três critérios principais para a escolha dos métodos de ajuste em rolamentos: a) deve possibilitar uma fixação adequada e segura, bem como apoio firme dos anéis; b) deve permitir fácil montagem e desmontagem para manutenção preventiva; c) deve possibilitar o deslocamento axial do rolamento livre. Devido à pequena espessura de seus anéis e do pouco espaço disponível entre as superfícies móveis, as irregularidades de suas superfícies de assento são facilmente transferidas para as pistas de rolamento. Dessa forma, os principais cuidados devem ser em relação às tolerâncias de forma, de modo que a ovalização (perda de forma esférica) e conicidade do eixo e do furo da caixa não ultrapassem 50 % das tolerâncias das medidas.
Rolamentos axiais geralmente são montados com um ajuste firme sobre um eixo, sendo eu o tipo de ajuste da caixa utilizado depende da carga à qual o rolamento será submetido ser totalmente axial ou combinada. Sendo assim, rolamentos axiais de esfera e rolamentos axiais de rolos cilíndricos permitem a utilização de cargas puramente axiais e, por isso, devem ser montados em combinação com dois rolamentos radiais. Já o anel de caixa deve receber um ajuste tal que não permita o apoio no furo da caixa e absorver cargas radiais.
Algumas definições importantes:
Os desvios de forma podem ser definidos como o grau de variação entre as diversas superfícies entre si, com relação ao seu posicionamento teórico. Apresentam as tolerâncias de paralelismo, de ângulos, de alinhamento, de perpendicularismo, de simetria e de posicionamento. Por outro lado, as diferenças de forma mais importantes são as de reta (retilineidade), do plano (planicidade), do círculo (circularidade) e da forma cilíndrica (cilindricidade), em relação a uma linha e uma superfície quaisquer.
A tolerância de perpendicularismo entre uma reta e um determinado plano de referência pode ser determinada por uma superfície cilíndrica ou ainda pela distância entre duas retas paralelas entre si, perpendiculares ao plano de referência. Os erros de planicidade podem ocorrem tipicamentedevido aos seguintes: a) variação da dureza das superfícies da peça ao longo dos planos de usinagem; b) desgaste prematuro do fio da ferramenta de corte; e c) fixação inadequada da peça que permita movimentos relativos indesejáveis durante a usinagem.
A concentricidade é uma condição onde duas ou mais figuras geométricas regulares (por exemplo, cilindros, cones, esferas ou hexágonos) têm um eixo comum. Se houver variações dos eixos de simetria de alguma dessas figuras em relação a uma referência comum, pode-se dizer que há excentricidade.
4. RUGOSIDADE SUPERFICIAL; PLANEJAMENTO DE PROCESSOS DE MANUFATURA
Rugosidade superficial
As necessidades de especificação de acabamento superficial aumentam com os maiores níveis de precisão de ajuste entre peças acopladas. Devido a isso, cumprir as especificações de precisões dimensional e geométrica não é suficiente para garantir a funcionalidade de um par acoplado. Por esse motivo, durante as etapas de fabricação, podem ocorrer desvios geométricos cujas principais causas são a) tensões internas residuais (por exemplo, decorrentes de tratamento térmico inadequado), b) falta de precisão ou calibração inadequada do equipamento de usinagem, c) desgaste prematuro ou escolha inadequada da ferramenta de usinagem.
Em relação às operações de usinagem, uma superfície apresenta três componentes: a) forma, b) ondulação e c) rugosidade. A forma da superfície é seu aspecto mais macroscópico e facilmente observável a olho nu. São exemplos de forma: forma esférica, cilíndrica e plana. Com a utilização de dispositivos óticos mais sofisticados (como lupas, estereoscópios e microscópios), pode-se notar a presença de ondulações mais sutis, compostas por picos e vales que representam a rugosidade da superfície.
A rugosidade de uma superfície de um produto é um parâmetro de grande importância que afeta diversas propriedades físicas e mecânicas e, consequentemente, o desempenho de um produto. São exemplos dessas propriedades à corrosão e oxidação, ao desgaste mecânico e à fadiga de uma determinada peça alterando-se seu acabamento superficial, o coeficiente de atrito entre duas superfícies em movimento relativo, o brilho e a cor em presença de luz, entre outras. Há diversos métodos para se calcular a rugosidade de uma determinada superfície, tanto mecânicos quanto óticos. De forma geral, eles são baseados em dividir a região medida em sub-regiões e calcular uma linha média para o perfil, para a qual a área dos picos acima e abaixo da linha seja igual. Nas referências do material complementar da Semana 3 há diversos exemplos desse tipo de cálculo.
Planejamento de processos de manufatura
Os processos de fabricação têm por função principal fixar o conhecimento da fabricação de bens. Além disso, também podem ter implicações em outros pontos do sistema de fabricação. Por exemplo, em relação ao planejamento estratégico, o sistema de fabricação determina as novas necessidades geradas a partir da introdução de novos produtos, permite o aumento da participação de mercado, auxilia nos projetos de novas instalações, na compra de novas máquinas e equipamentos, determina a previsão de novos investimentos para os próximos anos e ainda apresenta as diretrizes da política econômica da organização.
Os processos de fabricação representam a transmissão de informações tecnológicas entre o projeto do produto, o conjunto de processos necessários para produzi-lo e os meios de fabricação. Quando essas informações são transmitidas aos processos de fabricação no chão de fábrica, é gerado um subconjunto de processos, chamado setor de processos de fabricação (também conhecido como planejamento técnico, entre outras denominações).
Os níveis de educação técnica e envolvimento dos colaboradores e as possibilidades de seleção e treinamento de funcionários também influenciam o planejamento dos processos de fabricação. Tipicamente, quanto menor for o nível de treinamento tecnológico do pessoal envolvido diretamente ou indiretamente na produção, e quanto maior for o volume de produção, mais detalhadas devem ser as operações do processo de fabricação. Tais instruções devem conter detalhes sobre as especificações dimensionais, tolerâncias de operação, especificações metalúrgicas para as operações de tratamento térmico, recobrimentos superficiais e todos os outros processos envolvidos.
Um roteiro de fabricação é uma sequencia lógica que parte do desenho de uma peça até o produto final, garantindo que ele atenda a todas as especificações do respectivo projeto. Para tanto, um roteiro de fabricação deve definir os seguintes parâmetros:
· Qual será o encadeamento das operações (em que ordem elas serão realizadas)
· A seleção das máquinas-ferramenta por operação
· A seleção das ferramentas e acessórios necessários para cada operação (por exemplo, ferramental de corte, fixação e inspeção)
· Determinação das condições de montagem.
5. PLANEJAMENTO DE ROTEIROS E PROCESSOS DE MANUFATURA
O roteiro fundamental é o conjunto das operações necessárias para que se possa obter no produto acabado as especificações explicitadas no desenho da peça. Na formulação do roteiro é importante definir as operações essenciais, ou seja, aquelas sem as quais a peça não pode ser fabricada com a necessária correlação biunívoca com o desenho de produto respectivo.
As operações auxiliares são introduzidas quando os equipamentos disponíveis na unidade não podem atender às especificações do desenho de produto da peça e requerem ações complementares. Sua realização acarreta no aumento dos custos de produção e deve ser evitada. São exemplos de operações auxiliares as retíficas antes dos tratamentos térmicos, as lapidações de centro e desempenamento de eixo após tratamentos térmicos.
De forma similar, operações opcionais também aumentam os custos de produção por requererem maior variedade de ferramentas e equipamentos e dificultam a utilização de métodos de produção mais eficientes.
A fabricabilidade é um conceito presente nos roteiros de processos de manufatura e pode ser definido como o processo de adequação das especificações dos projetos de produtos às condições disponíveis para sua fabricação, mantendo-se a qualidade especificada a custos compatíveis com a necessidade de competitividade no meio em que a organização atua. Na análise da fabricabilidade de um produto, os desvios de forma e de posição devem se manter abaixo da metade das tolerâncias correspondentes e serem compatíveis com as tolerâncias possíveis de serem obtidas com o equipamento à disposição. Caso não seja possível obtê-los com o equipamento à disposição, deve-se discutir o projeto da peça a fim de se verificar a possibilidade de adequação ao equipamento. Dessa forma, são estabelecidas as diretrizes para projetos de fabricação que são estabelecidas como orientações para estimular a criatividade e apontar o caminho para melhores soluções.
6. SOBREMETAL DE USINAGEM; OPERAÇÕES DE USINAGEM; TORNEAMENTO E BROCHAMENTO
O sobremetal (em peças não-metálicas pode ser chamada sobrematerial) nominal é normalmente utilizado para se calcular as dimensões intermediárias correspondentes a diversas operações de processamento de uma peça, a fim de evitar rejeições por remoções insuficientes, ou ainda oneração do custo da operação por remoções muito grandes. Em outras palavras, é uma porção de material em excesso que ocorre nos estágios iniciais de produção, que é prevista no desenho da peça e que será removida ao longo do processo de produção.
A redução de remoção de material em operações de usinagem é uma das maneiras de poupar o consumo de material e simplificá-las.
Em alguns casos, sobremetal excessivo conduz a remoção de camadas superficiais de material mais resistente ao desgaste. Exemplo: remoção de sobremetal em excesso após tratamento superficial de cementação (para endurecer a superfície) pode eliminar o efeito desse tratamento. Sobremetal excessivo também conduz a remoção de material adicional, causando aumento de trabalho dos operadores, descarte ou reciclagem de materiais não aproveitados, maiorconsumo de energia elétrica e desgaste de ferramentas de corte. Como consequência, haverá aumento dos custos de fabricação da peça.
Tolerâncias excessivamente abertas nas peças brutas podem complicar operações de usinagem quando se pré-ajusta as ferramentas, principalmente em lotes grandes (acima de 500) de peças por pré-montagem das máquinas-ferramenta. Nesse caso, será necessário ordenar as peças brutas de acordo com suas dimensões, além de reduzir a precisão da operação quando essas peças brutas são fixadas em dispositivos.
Por fim, os erros de montagem podem ocorrer devido aos desvios de posição, gerados por localização inadequada da peça, por deformações da peça durante o setup inicial, ou por desvios ocasionados por folga excessiva dos componentes da máquina-ferramenta. Quanto maior for o erro de montagem, maior deverá ser o sobremetal necessário para compensá-lo.
As operações de referência para torneamento de eixos são o faceamento e a centralização, já que todas as operações posteriores do roteiro de fabricação usarão como referência a linha de centro gerada nessa operação. Em baixas series, são usinados em tornos paralelos, nos quais o controle dos erros de montagem e a correção dos desvios de posição ficam sob o encargo do operador da máquina, que também tem a responsabilidade de esboçar a sequência de usinagem com as respectivas divisões de sobremetal a fim de possibilitar a operação posterior.
Nas operações de brochamento, a rugosidade superficial e a precisão dimensional dependem do material a ser brochado, da velocidade de corte, do óleo refrigerante utilizado, bem como das condições de fabricação e do projeto. Além da tolerância de ferramenta e da precisão de sua montagem no suporte porta-brocha, a máquina utilizada e o dispositivo de fixação das peças interferem diretamente na precisão obtida.
7. RETIFICAÇÃO INTERNA E EXTERNA; USINAGEM DE CARCAÇAS; MANDRILHAMENTO
A retificação plana de alta produção é uma operação semelhante à de fresamento vertical. As peças são colocadas em uma mesa magnética rotativa e passam sob um rebolo vertical que tem somente movimento de rotação. Dependendo do grau de precisão necessário para a retificação, as peças poderão ser assentadas em dispositivos individuais, ou fixadas na mesa magnética da máquina. Nas operações de retífica de face, elas não alteram os desvios de perpendicularismo entre a face retificada e o furo, porém podem alterar os desvios de paralelismo de faces. As produções para esse tipo de operação variam com o tamanho das peças. Para diâmetros de até 100 mm, podem-se adotar níveis de produção que variam entre 150 e 200 peças por hora (podendo atingir até 500 peças por hora com uso de automação).
As operações de retífica interna são empregadas principalmente para acabamento de furos de precisão em peças temperadas. Tais operações são de difícil execução já que o rebolo de corte requer um madril porta-rebolo de pequenas dimensões. Além disso, como ele opera em balanço no cabeçote porta-ferramenta, pode haver trepidações no furo retificado.
Peças não assimiláveis a sólidos de revolução são aquelas com formato irregular, sendo, portanto, fabricadas com sequência de operações diferentes daquelas utilizadas para produzir sólidos de revolução. Existem vários tipos de peças que podem ser enquadradas nessa classificação, tais como carcaças de redutores de engrenagens, helicoidais (tipo mola em espiral), engrenagens cônicas retas ou helicoidais, parafuso sem fim, redutores mistos, caixas de redução de máquinas operatrizes e veículos automotores, blocos de motores de combustão interna, carcaça de bombas centrífugas, entre outras.
A operações de mandrilamento têm como função principal estabelecer as condições necessárias para engrenamento (alinhamento e sincronização) com folga predeterminada das engrenagens em caixas de engrenagens ou de câmbio. Deve-se garantir alinhamento de dois furos que normalmente servem de apoio para o eixo suporte das engrenagens, além de prover especificações dimensionais e geométricas para as cotas entre centros de engrenamento. No caso de motores à combustão interna, o alinhamento dos furos permite obter distâncias especificadas com as respectivas tolerâncias dimensionais e geométricas entre os cilindros.
8. TRATAMENTOS TÉRMICOS E PROCESSO DE MANUFATURA
Processos de tratamento térmico têm por objetivo alterar as propriedades de um determinado material (ou de uma parte de uma peça) por meio da alteração de sua microestrutura (arranjo dos átomos e moléculas) a partir da aplicação/retirada de calor, sob condições controladas.
A têmpera total é obtida aquecendo-se a peça em um forno em temperaturas superiores a 800 °C e resfriando-a rapidamente em seguida, para produzir a dureza necessária. Se o resfriamento não for feito em velocidade suficiente, ocorrerá apenas transformação parcial, havendo a formação de outras estruturas que reduzirão a dureza e alterarão as propriedades mecânicas. Os meios de esfriamento normalmente utilizados são o ar, óleo, água e salmoura, sendo que o ar é o meio mais lento e a salmoura o mais severo. A escolha correta do meio de esfriamento depende do aço e da espessura da seçãoNeste processo, toda a peça é aquecida e rapidamente resfriada. É importante que todas as superfícies da peça estejam em contato com o meio de resfriamento ao mesmo tempo para evitar distorções. Tipicamente, é aplicada em aços médio-carbono (0,40% a 0,50%) quando há necessidade de se aliar elevadas resistência mecânica e dureza com boa precisão dimensional.
Diferentemente da têmpera total, a cementação e a nitretação afetam uma camada da superfície da peça de aço, sem modificar significativamente seu interior. Seus objetivos são aumentar a dureza da superfície da peça sem fragilizar a parte interna da peça.
Importante: Cementação é diferente de cimentação (que é o ato de recobrir uma superfície com concreto contendo cimento Portland usada em construção civil).
Na cementação a gás as peças são aquecidas a temperaturas próximas de 900 °C em atmosfera que contém gases ricos em carbono (principalmente, metano, CH4). Os gases são fornecidos diretamente, ou obtidos pela vaporização de líquidos hidrocarbonetos. O período de tempo durante o qual as peças estarão expostas à essa atmosfera determina a profundidade de penetração do carbono na estrutura do aço.
De forma similar, na nitretação as peças são expostas a uma atmosfera rica em nitrogênio (N2), em temperaturas da ordem de 900ºC, por várias horas. A nitretação aumenta a resistência ao desgaste e à fadiga, gerando distorções menores que outros tipos de endurecimento superficial. A profundidade da camada nitretadas depende da natureza das peças, espessura do dente, tamanho, resistência ao desgaste e outras propriedades. Essa técnica de formação da casca é muito mais lenta do que a formação da casca cementada, porém os níveis de dureza obtidos são significativamente maiores.
9. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Ao longo do curso foram abordados os conceitos relacionados à lógica de projeto, execução, monitoramento e registro de um empreendimento de manufatura. Especial atenção foi apresentada aos processos relacionados à indústria metalomecânica por dois motivos. Primeiro, trata-se de um setor onde há grande tradição de conhecimento e ensino de processos de fabricação e manufatura, onde as técnicas foram desenvolvidas e têm sido aplicadas há várias décadas. Segundo, trata-se de um setor de grande importância estratégica e com vocação natural para o parque industrial e de matérias primas brasileiros. Apesar desse direcionamento, é perfeitamente possível que os conceitos aprendidos, em particular aqueles voltados ao planejamento do processo de manufatura, possam ser extrapolados e aplicados a outras áreas e tipos de empresas. Para facilitar a compreensão e entendimento dos vários processos apresentados ao longo do curso, bem como do uso de alguns termos do jargão técnico, material complementar foi adicionado à Semana 3 com diversos textos versando sobre as operações básicas de fabricação.
Asprovas versarão principalmente sobre os conceitos básicos destacados na disciplina. No caso de algum exercício requerer algum detalhe altamente específico (como fórmulas, regras de nomenclatura, composições de aços, por exemplo), ele será fornecido no enunciado. Não serão cobrados exercícios referentes ao desenho técnico de peças devido às dificuldades de implementar tais questões. No entanto, há diversos exemplos numéricos nas vídeo-aulas que podem ser úteis. A leitura cuidadosa do material de apoio é um ponto de grande importância, pois há diversas informações complementares. Por fim, uma sugestão pessoal para maximizar o aprendizado é assistira às vídeo-aulas tendo em mãos os slides (impressos ou em arquivo pdf) para adicionar seus próprios comentários em relação aos conteúdos apresentados. Isso facilita a fixação e lembrança dos conceitos no momento do estudo. Se houver grupos de estudo, a troca dessas informações com os colegas é de grande valia para ressaltar diferentes aspectos de um mesmo ponto e para sanar dúvidas.