Paper 7 - Furadeira

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FURADEIRA DE BANCADA
Fernanda Carolina Baum
Gustavo Andrade Ribeiro
Matheus Ribeiro de Matos 
Professor Tutor Fabio Fabris 
Resumo
As furadeiras de bancada são máquinas de tamanho relativamente pequeno com motor com potência padrão de 1/2 cv (podendo ser encontrada com uma potência maior ou menor) e conta com uma mesa acoplada que pode ser inclinada, fixa ou giratória. Essa ferramenta permite a realização de trabalhos em materiais resistentes, e ainda garante ao operador maior estabilidade e sem trepidações durante o uso, tornando os furos mais precisos. O projeto foi desenvolvido com auxílio do software SolidWorks para uma melhor visualização. As peças utilizadas no projeto da mini furadeira de bancada, foram totalmente desenhadas partindo de exemplos publicados em catálogos de fabricantes, seguindo as normas exigidas.
Palavras-chave: furadeira, polias, engrenagem. 
1. INTRODUÇÃO 
Este trabalho tem por objetivo apresentar a furadeira de bancada, bem como sua origem, aspectos e, por fim, o projeto desenvolvido com suas respectivas características. 
2. ORIGEM
A furadeira surgiu no ano de 1889 pelas mãos do engenheiro australiano Arthur James Arnot, aperfeiçoada seis anos depois pelos irmãos Wilhelm e Carl Fein, com a primeira furadeira elétrica portátil.
Mais tarde, os americanos Samuel Duncan Black e Alonzo G. Decker desenvolveram algo mais parecido com o modelo atual: movida à eletricidade, ela também contava com um mandril de 1/4″ em forma de pistola e gatilho. 
Em 1923, a Black & Decker colocou no mercado a primeira furadeira elétrica com braço de sustentação total – chegando até o espaço com o Projeto Gemini, no qual forneceu uma furadeira sem fio para ser usada pelo programa espacial americano.
2.1 FUNCIONAMENTO DA FURADEIRA
Uma matéria publicada no site da loja Multicoisas (2017) descreve como uma furadeira funciona.
Quando puxamos o gatilho da ferramenta, um circuito elétrico se completa – igual ocorre quando ligamos um interruptor de luz, por exemplo. É nesse momento que, dentro da furadeira, um pedaço de metal localizado no lado contrário ao gatilho conduz a eletricidade da principal fonte de energia (que pode ser uma bateria ou uma tomada) a um motor. Quando esse encontro acontece, a broca ou a parafusadeira começa a girar.
3. ESPECIFICAÇÃO
As furadeiras de bancada são máquinas de tamanho relativamente pequeno com motor com potência padrão de 1/2 cv (podendo ser encontrada com uma potência maior ou menor) e conta com uma mesa (ou bancada) acoplada que pode ser inclinada, fixa ou giratória. Alguns modelos são adequados para aplicações leves, com brocas de até 13 mm. Outros são capazes de atender aplicações mais pesadas, com brocas de até 16 mm. 
Esse tipo de ferramenta permite a realização de trabalhos em materiais resistentes, e ainda garante ao operador maior estabilidade e sem trepidações durante o uso, tornando os furos mais precisos.
De acordo com a descrição da furadeira no site da Leroy Merlin, uma característica das furadeiras de bancada é possuir limitador de profundidade e grampos que auxiliam na fixação das peças na hora de serem perfuradas, o que garante uma maior precisão. Quando inserimos uma lixa de tambor no mandril, a furadeira facilmente se torna uma lixadeira muito eficaz.
Atualmente, a indústria já disponibiliza modelos equipados com visor de rotação digital a laser para indicar o ponto exato onde será feita a perfuração. O que diferem umas das outras no mercado são a ergonomia e o número de rotações (rpm).
4. PROJETO
O projeto foi desenvolvido com auxílio do software SolidWorks para uma melhor visualização. As peças utilizadas no projeto da mini furadeira de bancada, foram totalmente desenhadas partindo de exemplos publicados em catálogos de fabricantes, seguindo as normas exigidas. Os componentes que constituem o projeto, são de fácil acesso podendo ser encontrado em ferros velhos, comércios de aço etc. 
As partes mais elaboradas como polias, engrenagens, cubos e eixos, é necessário a utilização de máquinas como tornos mecânicos, furadeiras universais. As engrenagens e cremalheira foram desenhadas através de cálculos seguindo as normas vigentes, e já que seguem os padrões necessários, podem ser compradas até mesmo por aplicativos via internet, assim como a correia de transmissão.
 A proteção de partes de movimentação da máquina, pode ser fabricada numa impressora 3D, assim como os manípulos. Já os componentes como rolamentos, parafusos, arruelas, porcas, conjunto de mandril e chave de mandril, podem ser encontrados em comércios locais ou na internet. Os pistões podem ser adquiridos em ferros velhos ou até mesmo fabricá-lo utilizando uma mola em seu interior para amortecer a decida do mandril, assim como o conjunto de cremalheira e engrenagem que foram projetados em cima da barra de direção de um automóvel popular.
4.1 ELEMENTOS DA MÁQUINA 
A seguir, citaremos as peças usadas para a fabricação do protótipo:
· Chapa-base: Aço SAE 1020, muito utilizado devido suas características e propriedade mecânicas, pois é um aço de fácil usinagem, soldabilidade e custo de aquisição baixo comparado com os outros metais.
FIGURA 01 – BASE DA FURADEIRA
FONTE: os autores. 
· Morsa/torno de bancada: É um equipamento utilizado em diversos setores, principalmente na indústria metalmecânica, é um conjunto de peças geralmente constituída por ferro fundido em seu corpo, seguido de peças usinadas para sua movimentação, no qual tem a finalidade de prensar a peça para a realização de diversos serviços.
			FIGURA 02 – TORNO DE BANCADA
 FONTE: os autores.
· Cubo conjunto: Fabricado com aço SAE 1020, tem a finalidade de revestir o corpo da cremalheira e servir de suporte para o conjunto.
FIGURA 03 – CUBO CONJUNTO DE CREMALHEIRA 
	FONTE: os autores. 
· Acoplamento da cremalheira e engrenagem reta: fabricado de ferro fundido já que é uma peça com detalhamento complexo, devido aos ajustes entre movimentação de cremalheira com a engrenagem, incluindo a usinagem nos acentos dos rolamentos.
FIGURA 04: ACOPLAMENTO E ENGRENAGEM
FONTE: os autores.
· Cremalheira: fabricada com aço SAE 1045 trefilado, já que é uma peça de movimentação que exige uma certa dureza, evitando futuros desgastes devido ao atrito com a engrenagem.
 	“Um sistema pinhão-cremalheira é um dispositivo mecânico projetado para funcionar por longos períodos de trabalho, mantendo sua funcionalidade” (LOPES, GALDINO, 2013) 
FIGURA 05 - CREMALHEIRA
		FONTE: os autores. 
FIGURA 06 – PROJETO DA CREMALHEIRA
FONTE: os autores. 
· Engrenagem de dentes retos: Aço SAE 1045, peça de movimentação feita pelo processo de usinagem. Suas dimensões são tabeladas conforme normas estabelecidas. Abaixo está descrito alguns cálculos realizados para a fabricação da engrenagem seguindo seus padrões e tabelas.
FIGURA 07 – PROJETO DA ENGRENAGEM
FONTE: os autores. 
TABELA 01 – CÁLCULO DA ENGRENAGEM
	ENGRENAGEM MÓDULO 01
	ÂNGULO DE PRESSÃO = 20º
	Z (Nº DE DENTES) = 18
	PASSO = Módulo * pi
	
	
	Espessura circular e vão= S=V=P/2
	
	
	Diâmetro primitivo = m.z
	
	
	Diâmetro externo = m*(z+2)
	
	
	Diâmetro interno = m*(z-2,334)
	
	
	Diâmetro círculo de base = Dp*cos ângulo
	
	
	Ângulo do dente = r=Fm
	
	
	Raio menor = r’=F’m
	
	
	Coeficientes F= 3,12 e F’= 1,69
	
	
FONTE: os autores.
· Base do motor: Aço SAE 1020, fabricado para dar sustentação ao motor, com ranhuras para fixação dos parafusos dando a mobilidade ao tensionamento das correias de transmissão. O aço utilizado para a fabricação deste componente do projeto é um aço doce de boa usinabilidade e soldabilidade, pois é o mais indicado para esta aplicação devido ao custo baixo comparado com outros aços.
FIGURA 08 – BASE DO MOTOR
 FONTE: os autores.
· Polia do motor: Este componente muito utilizado em nosso cotidiano, é responsável para transmitir a movimentação rotacional para um eixo. O material utilizado para a sua fabricação mais comum é o ferro fundido cinzento, devido ao seu baixovalor comercial, processo de fabricação, e boa usinabilidade deste material. Este componente possui dimensões tabelado para facilitar na hora da escolha e empregabilidade deste conjunto. Esta polia em questão, foi escolhida para acoplar correias do tipo ou modelo A, que é a mais comum do mercado.
			FIGURA 09 – POLIA 
			
FONTE: os autores. 
· Correias de transmissão: 	
As correias, juntamente com as polias são um dos meios mais antigos de transmissão de movimento. É um elemento flexível, normalmente utilizado para transmissão de potência entre dois eixos paralelos distantes. Elas são fabricadas em várias formas e com diversos materiais”. (FILHO, 2009).
	Quanto ao material utilizado em sua fabricação, se destaca os compósitos, que é a união de diversos tipos de materiais, agregando em suas características mecânicas. A correia utilizada no projeto é comum em nosso cotidiano, que se caracteriza pelo formato trapezoidal de perfil “A”.
	Para o dimensionamento correto da correia, utilizamos o seguinte cálculo:
L= * D + 2 * C.
Onde:
L= Comprimento da correia ou circunferência.
D= Diâmetro interno ou externo, neste caso foi utilizado o diâmetro interno da polia (37 mm).
C= Distância do eixo de uma polia à outra (352,66 mm).
L = * 37 mm + 2 * 352,66 mm
L = 821,56 mm.
	Este valor calculado é a circunferência interna da correia perfil A, agora basta compararmos o valor em tabelas de fabricantes, conforme a tabela abaixo:
TABELA 02 – DIMENSÕES DE CORREIA
Fonte: disponível em: https://www.dina.com.br/. Acesso em 31/05/2021.)
	Desta forma utilizaremos o valor mais próximo do 821,56 mm que neste caso é 825 mm, correspondente a correia A-32 ½.
	A distância de transmissão de centro de eixo para eixo é de 352,66 mm conforme figura abaixo.
FIGURA 10 - CORREIA
FONTE: os autores.
· Polia movida: Fabricada de ferro fundido cinzento, material predominantemente utilizado para confecção de polias, conforme Rabelo e Cavaler (2006).
“O ferro fundido cinzento GG-15 é a classe de ferro fundido mais utilizada na fabricação de polias, com excelente fundibilidade e melhor usinabilidade. A grande maioria das polias são fabricadas com esse material, pelo motivo de suas propriedades mecânicas resistirem aos respectivos esforços ao qual as peças serão aplicadas e também principalmente em relação ao seu custo de fabricação, sendo um dos ferros fundidos com o preço de venda mais baixo no indicativo de custos.” (RABELO, CAVALER. 2006).
	FIGURA 11 – POLIA MOVIDA
 	Fonte: os autores.
· Motor: foi utilizado um motor de chapa aberto, da empresa WEG, modelo geral, 2 polos ODP com pés, cujas especificações serão listadas abaixo. 
FIGURA 12 – ESPECIFICAÇÃO DO MOTOR UTILIZADO NO PROJETO
FONTE: Catálogo de motores WEG.
5. CÁLCULOS PARA AS ROTAÇÕES
	Quando temos transferência de rotação podemos afirmar que polias de mesmo diâmetro transmite a mesma rotação do motor para a polia movida, porém será calculado através de fórmulas as diferentes rotações conforme os diferentes diâmetros das polias do projeto em si.
	Antes de iniciar os cálculos, é necessário saber os dados técnicos do motor, como o número de rotações por minuto (rpm), por exemplo. Sabemos então que a sua rotação será de 3530 rpm, basta então arranjar esse valor e os demais na fórmula abaixo:
 
 
 
Primeiro será calculado nos diâmetros iguais da polia motora e movida. Podemos ver que diâmetros iguais se resulta em mesma rotação da polia motora.
N1 = RPM da polia motora = 3530 rpm
N2 = RPM da polia movida = x
D1 = Diâmetro da polia motora = 37 mm.
D2 = Diâmetro da polia movida. = 37 mm.
Com o diâmetro médio da polia = 47 mm.
Com o diâmetro maior de 62 mm.
	Notamos que conforme aumenta o diâmetro da polia movida, obtemos um declínio de rotação. Este processo é uma das formas mais simples e econômica para redução de velocidade de rotação em sistemas como furadeiras de bancada.
5.1 CÁLCULO DE TORQUE
	Antes do cálculo é necessário entender as unidades de medida utilizados, abaixo está contido valores que serão usados. Sabendo que 1cv = 750 Nm/s, e o motor utilizado no projeto, é de 2 cv, resultando em 1500 Nm/s. 
O diâmetro da polia motora é de 37 mm, para ser inserido no cálculo é necessário a transformação em metros, após calcularmos o raio que é igual a 0,0185 m.
Tendo a fórmula de torque T = F * d, cuja unidade é o Nm, calcula-se
T = 1500 N.m/s x 0,0185 m
Torque = 27,75 N.m
	O torque encontrado é da polia motora, agora basta calcular o torque nos dois diâmetros da polia movida:
· Diâmetro 2 = 47 mm.
T = 1500 * 0,0235
Torque = 35,25 N.m
· Diâmetro 3 = 62 mm.
T = 1500 * 0,031
Torque = 46,5 N.m
	Não será necessário calcular o diâmetro da polia movida pois é igual ao da polia motora, resultando no mesmo torque e rotações por minuto.
5.1.1 A relação entre torque e transferência de rotação entre polias
	Com o diâmetro da polia motora (37 mm), em relação a polia movida (47 mm), temos um torque equivalente à 35,25 Nm, com um acréscimo de 27 % em seu torque e uma diminuição de rotações de 752 rpm.
Com o diâmetro da polia motora (37 mm), em relação a polia movida (62 mm), temos um torque equivalente à 46,5 Nm, com um acréscimo de 67 % em seu torque e uma diminuição de rotações de 1424 rpm.
		FIGURA 13 – RELAÇÃO DE DIÂMETROS DA POLIA
FONTE: os autores. 
6. APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS 
Apresentamos os resultados e conclusões dos cálculos do projeto na tabela a seguir.
TABELA 03 – CONCLUSÕES E RESULTADOS
FONTE: os autores. 
FIGURA 14
 (Fonte: https://www.materiais.gelsonluz.com/2017/12/tensao-admissivel.html), modificada pelos autores.
	FIGURA 15 – COEFICIENTE DE SEGURANÇA
(Disponível em: https://pt.slideshare.net/knoxlomu/tipos-de-esforos-58463127. Acesso em 06/06/2021)
FIGURA 16 – TENSÕES DE RESISTÊNCIA DOS AÇOS SAE
Figura 19 (Fonte: https://pt.slideshare.net/knoxlomu/tipos-de-esforos-58463127).
FIGURA 17 – PROPRIEDADES DE POLÍMEROS
(Disponível em: https://afinkopolimeros.com.br/importancia-dos-ensaios-umidade-poliamidas/. Acesso em 15/06/2021.)
	O fator de segurança é importante para a segurança do projeto, abaixo podemos ver alguns valores tabelados, no qual usaremos o Ferro fundido, o aço mole (1020), e aço duro (1045).
FIGURA 18 – FATORES DE SEGURANÇA DE MATERIAIS
Figura 21 (Fonte: http://claudemiralves.weebly.com/uploads/3/8/6/2/3862918/aula_6.pdf. ).
	Neste caso utilizaremos a carga intermitente, já que há variações de períodos de uso da máquina, onde encontramos os valores para ferro fundido (10), aço mole (6) e aço duro (6).
Tensão admissível = 
FoFo = Tensão admissível = = 24 Kg/cm²
Aços = Tensão admissível = = 53,333 Kg/cm²
7. CONCLUSÃO 
Neste trabalho foi demonstrado um breve resumo a respeito da furadeira de bancada, bem como as peças utilizadas e os cálculos dimensionais. O embasamento teórico foi obtido através de sites de lojas de materiais de construção, blogs e livros específicos para engenharia, buscando sempre a melhor descrição e a realização correta do trabalho. 
	Os desenhos usados para ilustrar foram obtidos através do software SolidWorks, confeccionados pelos próprios autores. Vale ressaltar que esse trabalho foi realizado para aprofundamento no estudo dos sistemas de transmissão de potência, tema deste seminário. 
	
REFERÊNCIAS
LOPES, José Carlos Leite. GALDINO, Luciano. Dimensionamento do sistema cremalheira-pinhão de dentes retos. Augusto Guzzo revista acadêmica, nº 12, p. 127-139, 20/12/2013.
Disponível em: https://www.ferpam.com.br/blog/dia-do-inventor-a-invencao-da-furadeira.html. Acesso em 09/05/2021.
WICKERT, Jonathan. LEWIS, Kemper. Introdução à engenharia mecânica. 3ª edição. Tradução Novertis do Brasil. São Paulo: Cengage Learning, 2019.
Disponível em: https://www.leroymerlin.com.br/dicas/furadeira-de-bancada-permite-trabalhos-em-materiais-resistentes.Acesso em 09/05/2021.
Disponível em: https://institucional.multicoisas.com.br/a-historia-da-furadeira/. Acesso em 18/05/2021.
Disponível em: https://www.weg.net/catalog/weg/BR/pt/Motores-El%C3%A9t ricos/Trif%C3%A1sico---Baixa-Tens%C3%A3o/Uso-Geral/Carca%C3%A7a-Chapa-%28Rolled-Steel%29/Motor-de-Chapa-Aberto-%28IP21%29/Geral-2-cv-2P-F56H-3F-220-380-V-60-Hz-IC01---ODP---Com-p%C3%A9s/p/15065332. Acesso em 02/07/2021.
Disponível em: https://www.weg.net/catalog/weg/BR/pt/Motores-El%C3%A9tri cos/Monof%C3%A1sico/Uso-Geral/c/BR_MT_1PHASE_GENERALPURPOSE/list Acesso em 02/07/2021.