Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
Universidade Cruzeiro do Sul Graduanda : Graziele Maria Reis Goulart RGM:21275530 7° semestre Estudo de Caso Sobre melhorias no Processo de Furação Sob Orientação de ALEXANDRE LEITE NUNES São Paulo- Dezembro de 2020. Sumário Capitulo 2 FURAÇÃO 2-Processo de furação e suas variáveis 5 Capitulo 3 estudo de caso 11 Capitulo 4 discussão e dados 18 Capitulo 5 conclusão 23 1 INTRODUÇÃO Este trabalho é justificado devido a grande necessidade da indústria em redução de custos em processos de fabricação atende também a grande necessidade de administrar recursos disponíveis na linha de produção com a finalidade de garantir a máxima eficiência do processo. 2 OBJETIVO Este trabalho visa o estudo do processo de furação, este que é muito utilizado pela indústria metal mecânica, será feita a comparação entre a experiência com o pré-furo e sem o pré-furo na peça se refere ao comportamento da força de corte e ao momento torsor em cada uma das situações. E comprovar através do estudo comparativo que há otimização processo possibilitando reduzir custos da produção. 3 METODOLOGIA O início do estudo foi executado com a formação teórica sobre o tema ,iniciando-se por uma pesquisa bibliográfica e análise preliminar sobre o tema da pesquisa .Foram expostas algumas metodologias de análise preliminar sobre o tema da pesquisa. Foram expostas algumas metodologia de análise e melhoria de processos disponíveis .Verificou-se a adequação da Metodologia para análise e melhorias de processos (MAMP) e fez-se então o estudo de caso com a aplicação de uma metodologia experimental e a análise da melhoria do processo a verificação da eficácia do processo. A metodologia escolhida será a experimental os dados apresentados foram obtidos em laboratório pela autora. Após coleta de dados serão feitos os cálculos das variáveis envolvidas e as comparações dessas variáveis. Abaixo seguem etapas da metodologia . Utilizou-se, na elaboração deste trabalho, um sistema de aquisição de dados composto por : 1-Dinamômetro de carga selada ; 2-Torno Convencional Fabricante Nardini; 3-Corpo de prova aço; 4-Broca comɵ=17mm. Na escolha do processo de furação mais adequado para cada trabalho a ser realizado devem ser avaliados os seguintes aspectos: 1 -Forma da peça; 2 -Dimensões da peça; 3- Número de furos a serem abertos; 4-Quantidade de peças a serem produzidas; 5-Diversidade no diâmetro dos furos de uma mesma peça; 6-Tolerâncias requeridas para a peça. A furação é, geralmente, o método de usinagem mais eficiente e econômico para executar um furo em um metal sólido e, frequentemente, é realizada em conjunto com outras operações de 3 usinagem. A ferramenta utilizada no processo de furação é a broca. A broca mais comum utilizada na furação é a broca helicoidal, mas existe um grande número de tipos de brocas para as mais diversas aplicações . Apesar da importância do processo, este recebeu poucos avanços até alguns anos, enquanto outros processos (como torneamento e fresamento) progrediram mais rapidamente com a introdução de novos materiais para ferramentas. No entanto, nos últimos anos têm crescido a utilização de centros de usinagem CNC (Controle Numérico Computadorizado) no processo de furação. Com isso, têm ocorrido vários desenvolvimentos com os materiais das ferramentas de furação. A figura a seguir mostra a terminologia das brocas helicoidais . Especificação de uma broca A broca corta com as duas arestas cortantes como um sistema de duas ferramentas. Isso permite formar dois cavacos simétricos. A broca é especificada pelas dimensões, pelo material com o qual é fabricada e pelos seguintes ângulos . β ângulo de cunha (beta) ,Ângulos da broca γ -Ângulo de saída (gama) é o ângulo de hélice. É formado pelo eixo da broca e a linha de inclinação da hélice. Auxilia no desprendimento do cavaco e no controle do acabamento e da profundidade do furo. Deve ser determinado de acordo com o material a ser furado: -para material mais duro ⇒ ângulo mais fechado (menor); -para material mais macio ⇒ ângulo mais aberto (maior). σ -Ângulo de ponta (sigma) –Corresponde ao ângulo formado pelas arestas cortantes da broca. Também é determinado pela dureza do material a ser furado. α Ângulo de incidência (alfa). –Tem a função de reduzir o atrito entre a broca e a peça. Isso facilita a penetração da broca no material. Sua medida varia entre 6° e 15°. Ele também deve ser determinado de acordo com o material a ser furado: quanto mais duro é o material, menor é o ângulo de incidência. É muito importante que as arestas cortantes tenham o mesmo comprimento (A = A’) e formem ângulos iguais em relação ao eixo da broca. 4 Capitulo 2 FURAÇÃO 2-Processo de furação e suas variáveis De acordo com a norma alemã DIN 8589, a furação é definida como um processo de usinagem com movimento de corte circular, ou seja, com movimento rotativo principal. A ferramenta possui movimento de avanço apenas na direção do seu eixo de rotação, que mantém a posição em relação à ferramenta e à peça (CASTILLO, 2005). Ferraresi (1977), define furação como: “um processo mecânico de usinagem, utilizado para a obtenção de um furo, geralmente cilíndrico, numa peça com auxílio de uma ferramenta, geralmente multicortante. Para tanto, a ferramenta ou a peça gira e, simultaneamente, a ferramenta ou a peça se desloca segundo uma trajetória retilínea, coincidente ou paralela com o eixo principal de rotaçãoda máquina. O processo de furação pode subdividir-se em operações de furação em cheio, escareamento, furação escalonada, furação de centros, trepanação, entre outros. A ferramenta destinada a este processo denomina-se broca”. Segundo Harber et al. (2007), a furação convencional continua sendo um dos processos mais comum de operação de usinagem na indústria de transformação, sendo que, em alguns países, este tipo de processor epresenta quase 50% de todas as operações de usinagem. Este processo é usado em conjunto com grande parte dos processos de fabricação a fim de prover elementos de fixação, muitas vezes de importância secundária, ou pré-furo para acabamento através de outros processos de usinagem, como: alargamento, brochamento, mandrilamento, torneamento interno, retificação interna, entre outros. A importância da operação de furação pode ser avaliada também pelo consumo de ferramentas. Estima-se que o consumo mundial de brocas seja da ordem de 250 milhões de unidades por ano (AMORIM, 2003; VIANA,2004). As operações de furação são consideradas, atualmente ,as mais difíceis de serem realizadas dentre os processos de usinagem. Isto se dá devido à broca, durante o processo de furação, ter a finalidade de produzir o furo e, ao mesmo tempo, retirar o cavaco o mais rápido possível, de modo a evitar o atrito dos cavacos com as paredes da peça, o que irá conduzir a um aumento nos esforços de corte, podendo levar, conseqüentemente , à quebra da broca. Durante a furação, as brocas também têm a função de deixar penetrar, ou facilitar, a condução do fluido de refrigeração até a região mais próxima da aresta de corte, local este onde há um acréscimo de temperatura devido ao atrito produzido entre a broca e a peça(esse aumento de temperatura colabora para o aumento do desgaste, diminuindo, assim ,a vida útil da broca)(PENG et al., 2007, STEMMER, 2001; WANG. A Figura2.1mostra alguns tipos de processo de furação: 5 Figura 2.1–Variações do processo de furação. Adaptado de(STOETERAU, 2007). Quando o diâmetro ou comprimento do furo é muito grande, se torna necessária a utilização de brocas especiais ou processos especiais de furação. Segundo Santos (1999), as brocas especiais podem realizar furos com até 152 mm de diâmetro ,além de ter uma relação comprimento/diâmetro superior a 100 Os movimentos em furação são definidos de forma análoga ao observado no torneamento, exceto que a velocidade de corte é dada pela rotação da ferramenta em torno de seu próprio eixo (AMORIM,2003). A broca, responsável por produzir o furo, executa um movimento de rotação, além de realizar o movimento de translação na direção perpendicular à superfície a ser furada (Figura2.2) Figura 2.2 -Direção dos movimentos de corte, de avanço e efetivo, na furação (ABNT 6162, 1989). A norma ABNT 6162 (1989)define os movimentos que permitem a ocorrência do processo de usinagem da seguinte forma: Movimento de Corte –movimento entre a peça e a ferramenta, o qual sem o movimento de avanço origina somente uma única retirada de cavaco; Movimento de Avanço – movimento entre a peça e a ferramenta o qual,juntamente com o movimento de corte, origina a retirada contínua de cavaco; Movimento Efetivo –movimento resultante dos movimentos de corte e avanço, realizados ao mesmo tempo. O avanço de corte no processo de furação é definido como o espaço percorrido pela broca na direção longitudinal do seu eixo durante uma revolução completa da broca (METALS HANDBOOK, 1989). O aumento do avanço facilita a quebra e, conseqüentemente, a remoção do cavaco. Porém, o aumento do avanço para facilitar a quebra do cavaco, faz com que o ângulo efetivo de folga diminua e, com isso, aumente a deformação plástica do fundo do furo. Essa deformação pode ocasionar o encruamento do material e, por conseqüência, o aumento da força de avanço necessária ao corte, principalmente próximo ao centro, onde este ângulo é menor ainda. Além disso, existe um limite para o aumento do avanço. Acima de um determinado valor, o avanço pode causar a quebra da ferramenta ou a paralisação do avanço da máquina por falta de potência no eixo–árvore (CASTILLO, 2005;COSTA, 2004;DINIZ, 2000; HOCHENGe TSAO, 2007;SCHROETER e WEINGAERTNER, 2001). velocidade de avanço é o resultado do produto do avanço pela rotação da ferramenta. A Equação 1 mostra o cálculo para a velocidade de avanço (MACHADO et al., 2009). 6 A norma ABNT 6162 (1989)define os movimentos que permitem a ocorrência do processo de usinagem da seguinte forma: Movimento de Corte –movimento entre a peça e a ferramenta, o qual sem o movimento de avanço origina somente uma única retirada de cavaco; Movimento de Avanço – movimento entre a peça e a ferramenta o qual,juntamente com o movimento de corte, origina a retirada contínua de cavaco; Movimento Efetivo –movimento resultante dos movimentos de corte e avanço, realizados ao mesmo tempo. O avanço de corte no processo de furação é definido como o espaço percorrido pela broca na direção longitudinal do seu eixo durante uma revolução completa da broca (METALS HANDBOOK, 1989). O aumento do avanço facilita a quebra e, conseqüentemente, a remoção do cavaco. Porém, o aumento do avanço para facilitar a quebra do cavaco, faz com que o ângulo efetivo de folga diminua e, com isso, aumente a deformação plástica do fundo do furo. Essa deformação pode ocasionar o encruamento do material e, por conseqüência, o aumento da força de avanço necessária ao corte, principalmente próximo ao centro, onde este ângulo é menor ainda. Além disso, existe um limite para o aumento do avanço. Acima de um determinado valor, o avanço pode causar a quebra da ferramenta ou a paralisação do avanço da máquina por falta de potência no eixo–árvore (CASTILLO, 2005;COSTA, 2004;DINIZ, 2000; HOCHENGe TSAO, 2007;SCHROETER e WEINGAERTNER, 2001). velocidade de avanço é o resultado do produto do avanço pela rotação da ferramenta. A Equação 1 mostra o cálculopara a velocidade de avanço (MACHADO et al., 2009). 7 A velocidade de corte é a velocidade tangencial instantânea resultante da rotação da ferramenta em torno da peça (DINIZ et al.,2006). A velocidade de corte está relacionada diretamente com o diâmetro do furo e com a rotação da ferramenta, além de manter uma dependência direta com a vida da ferramenta, material usinado, tempo de usinagem, acabamento superficial e a potência consumida pela máquina-ferramenta (STEMMER, 2001). A Equação 2, mostra o cálculo para a velocidade de corte (MACHADO et al., 2009). A largura de corte é a largura de cavaco a ser retirada, medida na superfície de usinagem principal, segundo a direção normal à direção de corte. É medida na interseção da superfície de usinagem com o plano normal à velocidade de corte, passando pelo ponto de referência da aresta(FERRARESSI, 1977). A Equação 3 mostra o cálculo para a largura de usinagem (CASTILLO, 2005). Os furos são realizados, em sua maioria, por brocas helicoidais, tanto na fabricação de furos em cheio como pré-furos. A furação com broca helicoidal não pode ser considerada uma operação de acabamento devido a elevada rugosidade nas paredes do furo proveniente do processo de furação (isso ocorre principalmente na furação em “cheio”)(PANGRÁCIO,2003; RICHARD et al., 2008) Segundo Amorim (2003), a maioria das brocas helicoidais amplamente usadas na indústria é dividida em 3 partes (Figura2.3). 8 1.1.3–Geometria dasBrocas Para a definição e descrição dos ângulos empregados na análise de brocas helicoidais, faz-se necessário a conceituação de alguns termos apresentados na Figura2.4. 9 A norma ABNT 6163 (1980), define as partes da broca da seguinte forma: Ângulo de Folga da Ferramenta (α) -é o ângulo entre a superfície de folga (Aα) e o plano de corte da ferramenta (Ps). Pode ser definido sobre um dos planos: plano ortogonal da ferramenta (Po) sendo, neste caso, o ângulo de folga ortogonal da ferramenta (αo) ou plano admitido de trabalho (Pf), quando será o ângulo de folga lateral da ferramenta (αf) ou ainda, plano dorsal da ferramenta (Pp), quando será o ângulo de folga dorsal da ferramenta (αp); Ângulo de Cunha da Ferramenta (β) - é o ângulo entre as superfícies de saída (Aγ) e de folga (Aα). Pode ser definido num dos planos: plano ortogonal da ferramenta (Po), sendo, neste caso, o ângulo de cunha ortogonal da ferramenta (βo) ou plano admitido de trabalho (Pf), quando será o ângulo de cunha lateral da ferramenta (βf) ou ainda plano dorsal da ferramenta (Pp), quando será o ângulo de cunha dorsal da ferramenta (βp); Ângulo de Saída da Ferramenta (γ ) -é o ângulo entre a superfície de saída (Aγ) e o plano de referência da ferramenta (Pr) definido num dos planos : ortogonal da ferramenta (Po), sendo, neste caso, o ângulo de saída ortogonal da ferramenta (γo) ou plano admitido de trabalho (Pf), quando será o ângulo de saída lateral da ferramenta (γf), ou ainda plano dorsal da ferramenta (Pp), quando será o ângulo de saída dorsal da ferramenta (γp); Ângulo de Posição da Ferramenta (χr) -é o ângulo entre o plano de corte da ferramenta (Ps) e o plano admitido de trabalho (Pf), medido no plano de referência da ferramenta (Pr); Ângulo de Ponta(ε) -é o ângulo entre os planos principal de corte (Ps) e o secundário de corte (P's), medido no plano de referência da ferramenta (Pr); Ângulo de Posição da Aresta Secundária da Ferramenta (χr’) -é o ângulo entre o plano de corte secundário da ferramenta (Ps') e o plano admitido de trabalho (Pf), medido no plano de referência da ferramenta (Pr); Ângulo de Inclinação da Ferramenta (λs) -é o ângulo entre a aresta de corte e o plano de referência da ferramenta (Pr), medido no plano de corte da ferramenta (Ps). O ângulo de folga(α) tem a função de evitar o atrito entre a superfície de corte e a superfície de folgada ferramenta, além de permitir que a aresta penetre no material e o corte ocorra livremente. Em brocas com ângulo de folga muito pequeno, a aresta de corte tem dificuldade de penetrar no material, tendo como conseqüência a diminuição da vida útil da ferramenta provocado pelo aumento do atrito com a peça, além do superaquecimento da ferramenta e do mau acabamento superficial no furo. Para ferramentas com ângulo de folga demasiadamente grande, a aresta tem maior possibilidade de quebra, podendo até sofrer pequenos lascamentos em virtude da baixa resistência da cunha. A grandeza do ângulo de folga depende principalmente da resistência do material da ferramenta e da resistência e dureza do material da peça a ser usinada(AUDY, 2008; STEMMER,2001). A Figura2.7mostra a geometria da parte de corte de uma broca helicoidal. 10 Figura 2.7–Geometria na cunha de uma broca helicoidal(SCHROETER, 1999). Capitulo 3 Estudo de caso Nesse Estudo de caso vamos averiguar a viabilidade técnica comparando as vantagens e desvantagens na utilização do mesmo processo porém de forma diferente. Nesse estudo de caso vamos levantar as situações do processo de furação sem o pré-furo e com o pré-furo e analisar se realmente e possível implementar a melhoria do processo. Melhoria proposta: Usar o pré-furo em pelo menos 90% dos processos de furação Melhoria esperada :Redução dos esforços no processo de furação visando preservar as peças e as ferramentas envolvidas. Este estudo de caso verificará a implementação da melhoria do processo de furação .Vamos implantar a operação do pré-furo em pelo menos 90 % dos eventos de furação da usinagem realizadas pela indústria , pois a idéia é diminuir os esforços sobre a peça usinada , redução da força de avanço e por consequência redução de custo de energia na indústria em questão . Vejamos agora a situação anterior a implantação do novo processo com cálculos realizados em processos de usinagem pela autora . 3.1) Cálculos realizadoscom o corpo de prova sem o pré-furo; Para calcularmos usamos os valores empíricos estes foram retirados do livro Tecnologia da Usinagem dos Materiais , de Anselmo Eduardo Diniz , Francisco Carlos Marcondes e Nivaldo Lemos Coppini. 11 Dados empíricos para aço 1020 12 Gráfico de Ff(Kgf)Xf(mm) Se relacionar Ff com f temos como resultado da relação Trabalho que equivale a Potência , na próxima tabela segue o resultado da multiplicação dessas duas variáveis . Vejamos agora os resultados com a implementação da melhoria do processo de furação , ou seja, após fazermos um pré -furo. 3.2) Análise dos resultados dos cálculos com as variáveis empíricas do material aço abnt 1020 . 13 14 Gráfico de Ff(Kgf)Xf(mm) 15 Se relacionarmos essas duas variáveis temos como resultado Trabalho que por sua vez e equivalente a Potência, segue abaixo o resultado da relação: 16 3.3) Em posse dos cáculos vejamos a comparação entre os processos . Tabela 1 sem o pré -furo Tabela 2 com o pré -furo. 17 Discussão -Melhoria obtida obtida ;: Percebe-se que a Potência e bem menor quando há o pré-furo ,com a redução dessa variável houve otimização o processo tanto na redução dos esforços , como na qualidade da peça pois ela ficou menos exposta a variações de calor , bem como da preservação e manutenção da durabilidade das ferramentas utilizadas no processo e ainda como houve diminuição da Potência houve menos gasto energético. A melhoria nesse processo e de grande importância para aplicação da indústria que está constantemente reduzindo custos e mantendo a qualidade de suas peças .Um bom Exemplo e a Industria Aeroespacial que além ter tempo escasso na maior parte das vezes para entrega de projetos e a indústria que mais utiliza o processo de furação logo a otimização desse processo e de grande interesse para ela . Vejam a preocupação da indústria mencionada : Qualidade e precisão são críticas na usinagem de peças aeroespaciais complexas, com tolerâncias mais rigorosas e tempos de ciclo mais rápidos se tornando cada vez mais vitais para a indústria. Através de anos de pesquisa e desenvolvimento, a Toyoda trouxe ao mercado uma série de centros de usinagem, máquinas de pontes e pórticos e retificadoras para produzir volumes mais altos sem perder a qualidade da peça. - Sua implementação : Em virtude do que foi comprovado e a aplicabilidade do processo pode-se implementar a otimização do processo Capitulo 4 -Resultados obtidos em laboratório pela autora. Estudo de caso : Comparação do processo de furação, uma tecnologia da usinagem ,corpo de prova com o pré-furo e sem o pré -furo. Discussão de dados a seguir vamos discutir os dados do corpo de prova com o pré -furo. Etapas : 1-Coleta de dados em laboratório; 2-Em posse das variáveis realizar as comparações antes e depois do novo process; 3-Conclusão e análise da eficácia da implementação da proposta. Este experimento foi realizado pela autora na cidade de São Paulo no mês abril de 2018 no laboratório de Usinagem da Faculdade de Tecnologia de São Paulo localizado na Av Tiradentes,615. 1° ensaio medir fa ( força de avanço) com o corpo de prova em cheio. -Objetivo : Relacionar as variáveis fa, f e MT no processo de furação ; -Material aço ABNT 1020; -ө broca =17 mm ; -n=450 rpm; -máquina Torno convencional Fabricante Nardine. Houve parametrização de f(avanço) , deixamos ele constante em ambos os ensaios. 18 1.1)Gráfico de Fa*f Se relacionar F com f temos como resultado da relação Trabalho que equivale a Potência , na próxima tabela s multiplicação dessas duas variáveis P=Fa*f . 19 2) 2° ensaio parte da experiência agora foi feito um pré-furo na peça vamos ver como fa (força de avanço)e Mt ө=17,38 mm na peça que sofrerá furação ɵ=5,00mm diâmetro do pré-furo . n=450 rpm máquina Torno convencional Fabricante Nardine. 2.1 Gráfico de fa(Kgfm)x f(mm) Se relacionar Fa com f temos como resultado da relação Trabalho que equivale a Potência , na próxima tabela segue o resultado da multiplicação dessas duas variáveis P=Fa*f .Segue resultado; 20 3)comparação antes e depois : nessa fase vou comparar os gráficos e verificaremos a eficiência da modificação. 3.1) Medidas com o corpo de prova em cheio X medidas do corpo de prova com o pré furo; Percebam que em ambos os casos houve parametrização de f(avanço) vamos focar então nas Forças de avanço obtidas. Percebe-se que quando há pré-furo a força de avanço diminui aproximadamente 10 x com isso obtemos como consequência Potências menores ,logo temos a grande vantagem de diminuir gastos energéticos, portanto reduzimos o custo perante a concessionária de energia .Vejamos os cálculos abaixo das Potências . 21 Tabela 1 sem pré furo. Tabela 2 com o pré-furo OBS : Pf= potência de avanço dados em (kW) Com os dados apresentados comprova-se que a implementação do pré -furo apresentou grande eficácia em redução de esforços , e redução de Potência logo houve melhoria do processo e deve ser implementado. 22 Capitulo 5 Conclusão Com estes 2 ensaios foi possível perceber que o pré -furo na peça é fundamental para diminuir os esforços no momento do corte , pois a Força de avanço fica muito menor se comparada com a peça sem o pré-furo . Enquanto com o pré-furo a Força de avanço variou de 40 Kgf a 51 Kgf e o Mt variou de 0,66 kgfm a 1,06 Kgfm . Sem o pré-furo tivemos uma variação de Força de avanço de 287 kgf a 613 Kgf e o Mt de 0,75 Kgfm a 1,4 Kgfm ou seja fa com o pré-furo foi no mínimo de 7,2 vezes menor do que com o pré -furo (relação numérica entre pré-furo e sem pré-furo 287/40 conforme osdados colhidos no laboratório , vide tabela com os valores apresentados anteriormente). Em virtude do que foi mencionado o pré –furo é um excelente artifício no que se refere a redução da força de corte logo diminui-se o desgastes da ferramenta e redução dos esforços sobre a peça logo há otimização do processo , logo devido ao que foi comprovado e a aplicabilidade do processo pode ser implementado. Proposta futura implementar o pré -furo em pelo menos 90 % das operações. Bibliografia TECNOLOGIA DA USINAGEM DOS MATERIAIS , 9ªedição - janeiro de 2014 , Anselmo Eduardo Diniz Francisco Carlos Marcondes Nivaldo Lemos Coppini ; h�ps://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/2189390/mod_resource/content/1/Aula%20%20Fur ação_2016.pdf em 20/11/2020 as 20:41 h; h�ps://repositorio.ufu.br/bitstream/123456789/14884/1/d.pdf em 21/11/2020 as 13:15 h; Fu ndamentos da Usinagem dos Metais , Dino Ferraresi, 1970 - 1ª edição. 23
Compartilhar