A DIAGNÓSTICO DEA DIAGNÓSTICO DE FALHAS NO...

Engenharia Mecânica – Automação e Sistemas

A DIAGNÓSTICO DEA DIAGNÓSTICO DEA DIAGNÓSTICO DEA DIAGNÓSTICO DE FALHAS NO PROCESSO DE ÁRVORE DE FALHAS NO PROCESSO DE ÁRVORE DE FALHAS NO PROCESSO DE ÁRVORE DE FALHAS NO PROCESSO DE ÁRVORE DE MANIVELAS.MANIVELAS.MANIVELAS.MANIVELAS.

PROCESSO DE FURAÇÃO NO CENTRO DO VIRABREQUIM DENTRO DO PROCESSO DE PRÉ-USINAGEM

Márcio Ortiz Carcanha – R.A. 3240324

Itatiba 2005

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Márcio Ortiz Carcanha – R.A. 3240324 10º Semestre - Engenharia Mecânica – Automação de Sistemas

TEMA

PROCESSO DE FURAÇÃO NO CENTRO DO VIRABREQUIM DENTRO DO PROCESSO

DE PRÉ-USINAGEM

ORIENTADOR

Prof. Ivo Giannini

Monografia apresentada à disciplina de Trabalho de Conclusão de Curso, do Curso de Engenharia Mecânica – ênfase em Automação e Sistemas, da Universidade São Francisco, sob a orientação do Prof. Ivo Giannini, como exigência parcial para conclusão do curso de graduação.

Itatiba 2005

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PROCESSO DE FURAÇÃO NO CENTRO DO VIRABREQUIM DENTRO DO PROCESSO DE PRÉ-USINAGEM

Márcio Ortiz Carcanha

Monografia defendida e aprovada em 25 de novembro de 2005 pela Banca Examinadora assim constituída: Prof. Ivo Giannini (Orientador)

USF – Universidade São Francisco – Itatiba – SP. Prof. Ms Fernado Gentille (Membro Interno)

USF – Universidade São Francisco – Itatiba – SP. Prof. Ms Mauricio Bordon (Membro Interno)

USF – Universidade São Francisco – Itatiba – SP.

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Dedicatória

Dedico este trabalho:

Aos meus pais Aparecido Carcanha e Madalena O. R. Carcanha

A Raquel Perim Carcanha minha esposa.

A Marlene Ortiz Carcanha minha irmã

v

Agradecimentos

A Deus por ter permitido a realização do trabalho de conclusão de curso que foi

desenvolvido através de conhecimentos adquiridos durante todos os anos do curso de

Engenharia

A minha família, pelo apoio, compreensão, força e incentivos constantes.

Ao professor Ivo Giannini pela orientação e a todos professores que no passar

desses anos fizeram e ainda fazem parte desta minha formação.

Em especial, agradeço a minha esposa Raquel Perim Carcanha que me ajudou

muito no decorrer de todos os anos.

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Sumário

Lista de Figuras......................................................................................................viii

Lista de Tabelas........................................................................................................ix

Resumo.......................................................................................................................x

Capítulo I

1. Introdução............................................................................................................01

1.1 – Objetivo, Justificativa....................................................................................02

Capítulo II

Revisão Bibliográfica...............................................................................................03

2. Processo de Forjamento do Virabrequim.......................................................06

2.1 - Corte de Matéria-prima..................................................................................06

2.2 – Aquecimento..................................................................................................08

2.3 – Rolo Laminador.............................................................................................10

2.4 – Forjamento.....................................................................................................11

2.5 – Rebarbar / Furar.............................................................................................12

2.6 – Tratamento Térmico......................................................................................12

2.7 – Jateamento / Lubrificação..............................................................................13

Capítulo III

Matérias e Métodos.....................................................................................................

3. Processo de Pré-Usinagem................................................................................15

vii

Capítulo IV

Resultados e Discussões..............................................................................................

4. Otimização da Broca de Centro.......................................................................25

5. Resultados Obtidos com a Melhoria................................................................29

5.1– Processo de Furação a Seco............................................................................29

5.2- Processo de Furação com Fluído.....................................................................30

5.3– Processo de Furação com Cobertura de Titânio.............................................31

5.4 – Processo de Furação com Cobertura de Futura.............................................32

5.5 – Processo de Furação com Cobertura de Titânio e Fluído..............................33

5.6 – Comparação dos Testes Realizados...............................................................34

5.7 – Quantidade de Preset / Vida da Ferramenta..................................................36

5.8 – Economia de Tempo gasto com Preset da Ferramenta.................................37

Capítulo V

6. Conclusões..........................................................................................................39

Referência Bibliográfica...........................................................................................40

viii

Lista de Figuras

Figura 1 – Broca de centro utilizada no processo de pré-usinagem na operação de furar centro do virabrequim................................................................3

Figura 2 - Matéria prima – barras com 6 metros de comprimento...........................7

Figura 3 – Matéria prima sendo cisalhada na tesoura...............................................7

Figura 4 – Campo magnético no interior do forno a indução..................................8 Figura 5 – Material sendo estirado no rolo laminador............................................10 Figura 6 – Dispositivo hidráulico para rotacionar o tarugo....................................10 Figura 7 – Forjamento do virabrequim utilizando uma prensa de 8000 ton...........11 Figura 8 – Peça sendo rebarbada e calibrada na prensa.........................................12 Figura 9 – Virabrequim após o processo de jateamento........................................13 Figura 10 – Desenho da peça virabrequim.............................................................15 Figura 11 – Máquina para facear flange/espiga do virabrequim-fresadora CNC...16

Figura 12 – Máquina para balancear/centrar o virabrequim-balanceadora CNC...17 Figura 13 – Flange do virabrequim com o furo de centro após balanceamento......17 Figura 14 – Materiais residuais e emissões de processos de usinagem...................21

ix

Lista de Tabelas

Tabela 1 – Temperatura para forjamento em aço.....................................................9

Tabela 2 - Principais riscos ambientais decorrentes do uso, manuseio e descarte de fluídos de corte utilizados em processos de usinagem..........................24

Tabela 3 – Resultados obtidos com o processo de furação a seco..........................29

Tabela 4 – Resultados obtidos com o processo de furação com fluído..................30

Tabela 5 – Resultados obtidos com o processo de furação com cobertura de titânio....................................................................................................31 Tabela 6 – Resultados obtidos com o processo de furação com cobertura de futura. ..............................................................................................................32

Tabela 7 – Resultados obtidos com o processo de furação com cobertura de titânio

e fluído..................................................................................................33 Tabela 8 – Resultados obtidos com a comparação dos ensaios realizados.............34 Tabela 9 – Quantidade de preset em relação a vida da ferramenta........................36

Tabela 10 – Economia do tempo gasto com preset................................................37

x

Resumo

A pré-usinagem do virabrequim (árvore de manivelas) compreende a primeira

etapa do processo de usinagem, nele o virabrequim é faceado e depois furado em suas

extremidades. O processo de furação é feito a seco com uma broca de centro em aço

rápido com duas arestas de corte. O furo realizado no virabrequim tem como finalidade

referenciar o início de toda usinagem que será feita até seu produto acabado.

Atualmente, as usinagens sem fluído de corte constituem um dos tópicos mais debatidos

da indústria metal-mecânica, as pesquisas estão focadas na procura de novas condições

de corte e situações específicas para realização desta usinagem, tendo-se conseguido um

considerável aumento de vida da ferramenta, através de camada protetora de titânio. O

trabalho apresentado relata o resultado de experiências de furação no centro do

virabrequim em aço forjado 1548, com broca de centro de aço rápido. Todos ensaios

foram realizados com os mesmos parâmetros de corte. Com o uso de fluído de corte

vaporizado, com cobertura de titânio, sem fluído de corte, com cobertura de futura e

com cobertura de titânio e fluído. Os resultados mostraram que o processo de furação

sem fluído de corte e com cobertura de titânio foi mais adequado, com bom

desempenho na qualidade dos furos, além de benefícios para a empresa e operador.

Palavras-chave: Usinagem a seco, Furo de centro no virabrequim, Aço Forjado 1548.

1

Capítulo 1

INTRODUÇÃO

A "máquina de gás atmosférica" (motor) foi desenvolvida por Nikolaus

August Otto, exibida na Exposição de Paris em 1867 e não tinha nenhuma árvore de

manivelas. No seu lugar, entre o pistão e o volante estava uma cremalheira, mas com o

desenvolvimento da máquina de quatro ciclos, esta solução foi substituída, em

1876, pela árvore de manivelas e biela.

Pouco antes da 1a guerra mundial as árvores de manivelas destes motores

eram feitos com aço forjado em martelo, normalmente, revenidos e usinados, e

prontos para montar.

A árvore de manivelas produzida em ferro fundido, hoje é uma alternativa

comum, mas antes era muito raro. Por volta dos anos 50, ficou possível obter as

propriedades mecânicas exigidas com ferro fundido, tornando o seu uso um processo

muito popular. Na mesma época, o seu processo de manufatura sofreu uma mudança

de martelo para prensa. Muitas coisas também mudaram no setor de materiais. Por

volta de 1970, os aços ligados e aços temperados predominante na ocasião foram

substituídos, gradualmente, através de aço endurecido por precipitação com uma

estrutura de ferrita e perlita, primeiramente, para a árvore de manivelas de automóveis,

e depois para caminhões (Chiaverini e Benedito 2002).

2

Durante os últimos anos a pesquisa continua para a redução de custo e melhoria

de tratamentos de superfície, permitiu o uso de aços resfriados controladamente, com

menor resistência à tração e nenhum tratamento térmico depois de ser forjado.

Os primeiros motores a combustão interna utilizavam gases em vez de gasolina

como combustível. Surgiu na Inglaterra em 1820, um motor acionado pela explosão de

uma mistura de hidrogênio e ar. Em 1838 foi patenteado o motor a gás que comprimia

uma mistura de combustível, e em 1885 foi então, concebido e projetado o primeiro

motor de quatro tempos a queimar gasolina.

O virabrequim é uma das partes inseridas nos motores de todos os meios de

transporte, esta peça transforma o movimento alternativo dos êmbolos, em movimento

giratório.

O virabrequim possui diversas manivelas, que são dispostas em ângulos de 120º

uma em relação à outra, de modo que o tempo de explosão seja uniforme e espaçados

nas duas revoluções.

A empresa ThyssenKrupp Metalúrgica, instalada em Campo Limpo Paulista -

São Paulo, produz virabrequim, ou seja, faz desde o processo de forjamento até a peça

acabada (usinada).

Para se obter o virabrequim pré-usinado faz-se necessário o cumprimento de

diversas etapas que são:

• Corte de Matéria-prima;

• Aquecimento da Matéria-prima;

• Rolo Laminador;

• Forjamento;

• Rebarbar / Furar;

3

• Tratamento Térmico (para aços especiais);

• Jateamento / lubrificação.

• Pré-usinagem;

No processo de pré-usinagem do virabrequim, é utilizado a ferramenta broca de

centro, que nos últimos anos tem tido melhorias significativas, especialmente em

relação aos revestimentos como o titânio, que apresenta baixa absorção térmica, alta

dureza à quente e baixo coeficiente de atrito (Tönshoff., 1994).

Este trabalho tem como objetivo mostrar o processo de usinagem do furo de

centro no virabrequim, sem a utilização de fluido de corte, explorando os limites de

utilização de brocas de aço rápido, revestidas com duas principais coberturas: o titânio e

futura. Esta broca de centro tem 2 arestas de corte com 6,3mm de diâmetro de ponta,

conforme mostrado na figura 1.

Figura 1 – Broca de centro utilizada no processo de pré-usinagem na operação de furar centro do virabrequim.

4

Durante os ensaios foram observados os tipos de avarias e desgastes das

ferramentas, forças de avanço, potência elétrica no motor principal da máquina, a

variação dimensional e a rugosidade dos furos produzidos nos virabrequins.

Foram utilizados diversos avanços na máquina, durante o processo de pré-

usinagem, mantendo-se a mesma velocidade de corte, visando explorar os limites do

processo. Aplicando-se a metodologia de otimização foi obtido o avanço de referência

do processo. Foi realizado, também, uma análise de custos comparando as condições

normais (com o mínimo volume de fluido de corte, vaporizado pela ação do ar

comprimido e sem cobertura) e otimizadas (com o mínimo volume de fluido de corte,

vaporizado pela ação do ar comprimido e com cobertura - titânio e futura) do processo

de furação da peça, visando analisar as condições econômicas e de produtividade limite.

Sabe-se que os problemas ocasionados em decorrência da utilização de fluidos

de corte, muitas vezes são complexos e de difícil solução. Assim sendo, a melhoria que

este trabalho propôs, favoreceu não só a empresa, mas o trabalhador e o meio ambiente.

Diante destas considerações, o trabalho foi dividido em quatro capítulos para

melhor compreensão.

• No primeiro capítulo, encontra-se as etapas do processo pela qual o

virabrequim passa até o estágio anterior da pré-usinagem;

• No segundo capítulo, é abordado a etapa da pré-usinagem e os fluídos

envolvidos no processo, juntamente com os eventuais problemas

ocasionados pelo seu uso.

5

• No terceiro capítulo, é apresentado a mudança realizada dentro da

empresa.

• No quarto capítulo são apresentados os benefícios adquiridos com as

mudanças realizadas. É feito também uma comparação anterior e

posterior às mudanças.

Para a conclusão do trabalho, foi feito algumas considerações finais que têm

como objetivo mostrar as vantagens que este estudo pode trazer para uma empresa que

esteja disposta a investir em pesquisas.

1.1 Objetivo, Justificativa

Este trabalho tem como objetivo mostrar a importância do processo de pré-

usinagem do furo de centro no virabrequim, que é o ponto de referência para toda as

etapas posteriores de usinagem. Através de vários ensaios será explorado os limites da

utilização das brocas de aço rápido, para determinar qual o melhor processo para

aumentar a vida útil da ferramenta.

Para o processo de furação do virabrequim, as brocas de centro utilizadas têm

um custo muito alto em relação a sua vida útil. Assim sendo, houve a necessidade de

realizar uma melhoria no processo de furação, que proporcionasse o aumento da vida

útil da ferramenta diminuindo seu consumo/custo.

6

Capítulo 2

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2. Processo de Forjamento do Virabrequim

O forjamento do virabrequim a quente é composto pelas seguintes etapas:

• Corte de Matéria-prima;

• Aquecimento;

• Rolo Laminador;

• Forjamento;

• Rebarbar / Furar;

• Tratamento Térmico (para aços especiais);

• Jateamento / Lubrificação.

A seguir será apresentado o detalhamento de cada etapa do Processo de

Forjamento do Virabrequim.

2.1 - Corte de Matéria-prima

A matéria-prima chega na empresa, em barras com 6 metros de comprimento

por bitola quadrada de 127mm, conforme ilustrado na figura 2.

7

Ela é aquecida a temperatura média de 70 ºC, para evitar que ocorra trinca no

cisalhamento. O tarugo é cisalhado com dimensões entre 661 à 664mm de

comprimento.

O cisalhamento é feito com o auxilio da tesoura, que são máquinas que

apresentam duas facas, uma fixa e uma móvel, que cisalham o material. O esforço

do corte vence a resistência do material fazendo sua separação em um plano normal

da barra (Bresciani, 1976), conforme figura 3.

Figura 2 – Matéria prima – barras com 6 metros de comprimento

Figura 3 – Matéria prima sendo cisalhada na tesoura

8

2.2- Aquecimento O aquecimento da matéria-prima é a segunda etapa para o forjamento que pode se dar

por várias formas, por exemplo, no processo a combustão, a peça é submetida somente

ao beneficiamento e revenimento controlado a óleo, ou seja, após a peça atingir a

temperatura adequada é refrigerada em óleo.

O aquecimento por indução acontece quando uma peça constituída de material

condutor elétrico, magnético ou não é colocado sob a ação de um campo magnético

variável que aquece a peça - representado na figura 4.

Figura 4 – Campo magnético no interior do forno a indução

Campo Magnético

Corrente Induzida

Materia-prima(tarugo)

9

Para ser forjado, o metal precisa ser aquecido a temperaturas que possuam alta

plasticidade tanto no início como no fim do processo de fabricação, ou seja, a peça

precisa ser aquecida em sua totalidade, de forma que seu interior tenha a “mesma

temperatura” de sua superfície.

A diferença entre as temperaturas inicial e final do forjamento é conhecida

como intervalo de temperatura de forjamento.

Com a elevação de temperatura do forjamento, aumenta-se a ductibilidade e

diminui-se o esforço de deformação plástica, melhorando o enchimento da matriz. Com

o superaquecimento do tarugo, corre-se o risco de não obter um forjado com estrutura e

propriedades de resistências desejáveis.

A determinação das temperaturas para aços-carbonos e aços-ligas depende:

• Do conteúdo de carbono;

• Da composição da liga;

• Da faixa de temperatura para melhor plasticidade;

Escolhe-se, normalmente, a temperatura máxima permitida por assegurar maior

forjabilidade ao material, sendo esse limite superior da temperatura influenciado

basicamente pelo conteúdo de carbono conforme mostra a tabela abaixo.

Aço SAE Temperatura máxima

de forjamento ( ºC )

1010 1310 1030 1280 1050 1260 1080 1210 1095 1150 1548 1300

Tabela 1 - Temperatura para forjamento em aço(Bresciani, 1976).

10

2.3 – Rolo laminador

O rolo laminador consiste em dois cilindros que têm como função comprimir o

tarugo, conforme figura 5.

A peça sai do forno através de uma esteira com temperatura média de 1270 à

1300 ºC, passa pelo primeiro rolo laminador, no qual é estirado um lado do tarugo, e

depois passa pelo dispositivo de rotacionar o tarugo, representado na figura 6.

Figura 5 – Material sendo estirado no rolo laminador

Figura 6 – Dispositivo hidráulico para rotacionar o tarugo

11

Entra no segundo rolo laminador, sai com o comprimento médio entre 850 à 870

mm, aumentando assim seu comprimento em torno de 200mm.

O objetivo deste processo é aumentar o comprimento do tarugo deixando-o na

configuração apropriada para a próxima etapa, para melhor preencher a matriz de

forjamento. Com isto conseguimos a formação do virabrequim sem falhas.

2.4 – Forjamento

É um processo utilizado pelo homem há milhares de anos, aperfeiçoado

atualmente através de novas tecnologias.

Hoje, o forjamento, é uma etapa fundamental da fabricação por conformação,

pode ser caracterizado como uma operação mecânica que através da deformação

plástica, consegue-se dar formas variadas aos metais, ou então, como um processo de

conformação no qual se obtém a forma desejada da peça por martelamento ou aplicação

gradativa de uma pressão, figura 7 (Benite, Francisco).

Figura 7 – Forjamento do virabrequim utilizando uma prensa de 8000 ton.

12

2.5 - Rebarbar / Furar

Após as etapas descritas anteriormente, a peça passa pelo processo de

rebarbação e furação a quente. Nestas etapas é realizada a retirada do excesso de

material após o forjamento final da peça.

A etapa chamada de furar é em conjunto com a etapa calibrar, ou seja, é retirado

o excesso de rebarba e em seguida a peça é colocada no calibrador (matriz para

endireitar), mostrado na figura 8.

2.6 - Tratamento Térmico

É um conjunto de operações de aquecimento e resfriamento em que o aço é

submetido, sob condições controladas de temperatura / tempo, a atmosfera e velocidade

de resfriamento alterando suas propriedades e conferindo características adequadas.

Os forjados sofrem tratamento térmico com os seguintes fins:

Figura 8 – Peça sendo rebarbada e calibrada na prensa.

13

• Remover tensões introduzidas durante o forjamento ou esfriamento do forjado;

• Homogenizar sua estrutura;

• Melhorar sua usinabilidade;

• Aumentar suas propriedades mecânicas.

2.7 – Jateameto / lubrificação

Na etapa de jateamento / lubrificação as peças são submetidas a limpeza

superficial, conforme figura 9.

Nesta etapa, as peças recebem um jato de granalhas (pequenas partículas de aço)

por um determinado tempo, para que sejam retirada as carepas (resíduos do forjamento)

e pequenas trincas em sua superfície. Este tempo é determinado de acordo com o aço

que foi utilizado na peça, ou seja, de acordo com o tipo de aço, o tempo de jateamento

aumenta ou diminui.

Figura 9 – Virabrequim após o processo de jateamento.

14

Na etapa de lubrificação as peças recebem um banho de óleo refrigerante, uma

mistura de 3% de óleo e 97% de água. Esta lubrificação tem como finalidade proteger

a peça contra a oxidação no decorrer das outras etapas.

15

Capítulo 3

MATERIAS E MÉTODOS

3. Processo de pré-usinagem

Após as etapas mencionadas no capitulo anterior, o virabrequim está pronto para

ser usinado.

A peça chega em cavaletes, transportados por empilhadeira até o começo da

linha de usinagem. O processo de pré-usinagem é composto por duas etapas: a operação

de facear flange / espiga e a operação de centrar e balancear o virabrequim.

As extremidades do virabrequim são chamados de flange e espiga conforme

mostrado na figura 10.

FLANGE

ESPIGA

A operação de facear flange e espiga, é feito em uma máquina fresadora,

mostrada na figura 11, composta por dois porta ferramentas, com pastilhas

intercambiáveis de metal duro.

Figura 10 – Desenho da peça virabrequim

16

Esta fresadora possui um motor de 15cv em cada cabeçote, trabalha com uma

rotação de 90 rpm, com avanço de 5,6mm/min. O sobre-metal retirado da flange /

espiga é em torno de 4 à 7mm.

As operações de centrar e balancear são realizadas em uma máquina

balanceadora. Para a peça ser balanceada, ela é colocada no dispositivo, no qual, através

do comando CNC, o mesmo se movimenta de acordo com o peso da peça, distribuindo

seu peso. Durante a operação de balancear, o virabrequim gira em uma rotação média

de 300rpm, de modo que seu peso é dividido por compensação de massa para que a

peça possa ser furada no seu centro geométrico, conforme figura 12.

Figura 11 – Máquina para facear flange / espiga do virabrequim - fresadora CNC

17

Este furo de centro conforme figura 13, serve como referência para as próximas

operações de usinagem.

O furo feito no centro do virabrequim é executado por uma broca de centro com

duas arestas de 6,3 mm de diâmetro e 6,5 + 0,5mm de comprimento.

Figura 12 – Máquina para balancear / centrar o virabrequim - balanceadora - CNC

Figura 13 – Flange do virabrequim com o furo de centro após balanceamento

18

Esta broca fica presa em um dispositivo de fixação, denominado mandril, que

quando feito o preset da ferramenta, determina a sua altura, conforme solicitação por

desenho do cliente. Temos assim, a profundidade exata do furo de centro, para

referência das outras etapas do processo.

Este processo de furação realizado pela broca de centro, pode ser feito de três

maneiras:

• sem cobertura / fluído de corte;

• com cobertura de titânio e fluído;

• com cobertura de titânio sem fluido;

Para melhor compreensão do processo, segue abaixo o detalhamento dos

mesmos.

Na indústria, a condição para o uso de um processo de usinagem sem fluido de

corte é que as operações envolvidas devam pelo menos alcançar os mesmos tempos de

corte, vida de ferramenta e qualidade das peças realizadas com fluido de corte.

Historicamente, a usinagem sem fluido de corte tem sido empregada com

sucesso na usinagem do ferro fundido cinzento, em virtude dos cavacos curtos, das

baixas temperaturas e das forças de corte envolvidas. A usinagem sem fluido de corte

não consiste em simplesmente interromper a alimentação de fluido, mas sim exige uma

adaptação compatível de todos os fatores que influem em cada processo de usinagem

(Klocke e Gerschwiler, 1996).

Onde a usinagem sem fluido de corte não é possível ser realizada por razões

técnicas, o uso mínimo de quantidade de lubrificante pode ser uma boa alternativa.

19

Este é o caso típico da usinagem do alumínio e suas ligas onde a usinagem sem

fluido de corte costuma formar arestas postiças, e no caso da operação de furação

provocar a quebra da ferramenta devido ao entupimento dos canais de saída do cavaco.

Há várias combinações de material/processo que não são economicamente viáveis sem

o mínimo de quantidade de lubrificante. Isto se aplica atualmente, em particular na

furação e rosqueamento de ferro fundido, aço e ligas de alumínio, e também para

operações finais de fresamento em ligas de alumínio e furação de furos profundos. Ao

lado destas aplicações que, para torneamento de aço, o uso mínimo de quantidade de

lubrificante reduz o coeficiente de atrito e a temperatura no corte ortogonal comparado

com corte sem fluido e com óleo solúvel convencional (Heisel , 1998).

A utilização de revestimentos nas ferramentas é uma alternativa para viabilizar a

usinagem sem fluido de corte. Os revestimentos atuam de duas formas importantes:

como barreira térmica entre o material cortado (peça) e o material de corte (ferramenta),

reduzindo o aporte térmico para o substrato da ferramenta. A outra é como camada

lubrificante, reduzindo o coeficiente de atrito entre cavaco-ferramenta-peça e atuando

também na redução do processo de adesão ( Klocke, 1998).

O titânio permite a formação de um filme de proteção extremamente denso e com

alta adesão em sua superfície, que forma uma barreira contra a difusão do oxigênio nas

camadas internas do revestimento. A segunda grande vantagem desse revestimento, na

usinagem, é a sua baixa condutividade térmica, assim, maior quantidade de calor é

dissipado pelo cavaco, permitindo que se utilizem velocidades de corte mais altas, já

que a carga térmica no substrato é menor.

20

Em processos de usinagem, as exigências básicas são produzir peças dentro de

tolerâncias e acabamentos dimensionais predeterminados, ao menor custo possível. Nos

processos de usinagem, os fluidos de corte desempenham numerosas funções

simultaneamente, contribuindo para que essas exigências de fabricação sejam

satisfeitas. A grande diversificação de fluidos de corte com distintas finalidades levou

ao surgimento de diferentes classificações, dificultando a padronização das mesmas

(Diniz, 1999).

Essas finalidades podem ser classificadas em primárias e secundárias. Como

primárias tem-se:

• Redução do custo da produção através da redução do desgaste da

ferramenta,aumentando assim sua vida;

• Melhoria do acabamento superficial do componente fabricado.

As secundárias buscam melhorias no processo de modo a satisfazer às exigências

primárias e são:

• Refrigeração e lubrificação da interface peça/ferramenta de corte/cavaco

• Minimização dos efeitos da formação da aresta postiça de corte (cavaco que

permanece aderente à aresta de corte da ferramenta alterando suas

características geométricas e funcionais);

• Proteção da peça usinada, ferramenta de corte e máquina-ferramenta contra

corrosão;

• Transporte do cavaco para fora da região de corte(Klocke e Eisenbláter, 1997).

21

Para atender a essas exigências, os fluidos de corte devem possuir características

específicas. Visto sob os aspectos ambientais, os fluidos de corte são agentes nocivos

que possuem na sua constituição: biocidas, fungicidas, produtos de reações, impurezas

agregadas pelo uso etc, atualmente sua utilização seguramente pode ser apontada como

uma das principais fontes causadoras de problemas dentro dos processos de manufatura

das indústrias do setor metal mecânico, possuindo potencial altamente poluidor ao solo,

ar e água, oferecendo sério risco à saúde do operador, mostrado na figura 14.

Os danos à saúde, especialmente os riscos de câncer associados a fluidos de corte,

são bastante conhecidos. Em 1983 a General Motors, juntamente com o Instituto Union

of American Workers (UAW), fizeram levantamento em três plantas fabris utilizando

pesquisadores das Universidades de Harvard e Massachusetts em relação às mortes de

46.000 trabalhadores entre os anos de 1941 e 1984, com três ou mais anos de serviço.

As pesquisas mostraram que os trabalhadores expostos a óleo emocionável

Figura 14 – Materiais residuais e emissões de processos de usinagem (Machado e Diniz, 2000).

Var

iave

is d

e en

trad

a

22

apresentaram altas taxas de câncer no estômago, pâncreas, laringe e próstata, além de

leucemia. Os trabalhadores expostos a óleo puro apresentaram maior número de câncer

da laringe, esôfago e reto. O risco de adquirir câncer por parte das pessoas que não

foram expostas a este tipo de produto era menor do que metade. O contato prolongado

de fluidos de corte com o trabalhador no chão-de-fábrica através de respingos, e

inalação de vapores e névoa, entre outros, tem mostrado causar diversos tipos de

problemas relacionados à saúde. Os componentes dos fluidos de corte, assim como os

aditivos, biocidas, fungicidas, produtos de reações e impurezas podem causar diversos

tipos de doenças de pele como dermatites, inflamações cutâneas, hiper-pigmentação,

alergias e outras irritações (Goyan).

Névoa e vapores gerados durante a utilização de fluidos de corte na usinagem,

inalados pelos operadores, podem causar diversos tipos de doenças respiratórias,

irritações nas mucosas do nariz, garganta e olhos. Alguns aditivos usados na formulação

de fluidos de corte são suspeitos de serem carcinogênicos. Os vapores são gerados no

contato dos fluidos de corte com superfícies quentes da peça trabalhada, da ferramenta

ou do cavaco quente (Ball, 1997).

Fabricantes de máquinas e ferramentas preocupados com problemas de saúde, têm

colocado à disposição dos clientes equipamentos opcionais de exaustão e filtros de

proteção mesmo antes de 1996, com a finalidade de minimizar o efeito da névoa

provocada pelos fluidos de corte. Os fatos apontados permitiram o estudo de novas

técnicas de refrigeração, que vão desde a água até o corte sem fluido, passando pelo uso

da mínima quantidade de lubrificante.

Estes estudos provaram que algumas destas possibilidades são viáveis, tanto para

23

o operador que não ficaria exposto a produtos químicos, como para redução dos custos

de usinagem. De acordo com estudos realizados para as indústrias alemãs, os custos

associados ao uso desses fluidos representam aproximadamente 16% dos custos de

fabricação. Portanto, devem ser utilizados onde são extremamente necessários, como é o

caso da usinagem de ligas de alumínio e aço inoxidável, em que a aderência do cavaco

na cunha de corte é uma constante (Daniel, 1997).

Fabricantes de ferramentas (Sandvik; Iscar; Valenite; Mitsubishi Materials Corp. e

outras) têm consciência de que é possível a usinagem sem fluido de corte ou com

mínima quantidade de lubrificante com o emprego de revestimentos de titânio e futura.

Contudo, recomendam cuidados especiais na escolha dos parâmetros de corte,

principalmente o uso de maior avanço com conseqüente redução de tempo de corte e do

efeito térmico. Como alternativa para a retirada do cavaco da região de corte pode-se

usar o ar comprimido (Heine, 1997).

Os problemas ocasionados em decorrência da utilização de fluidos de corte muitas

vezes são complexos e de difícil solução. A Tabela 2, traz um resumo dos principais

aspectos nocivos provocados pelo uso de tais produtos.

Atividade Aspectos Ambientais Impacto no Ambiente

24

Armazenagem • Vazamento de resíduos líquidos Poluição do solo e corpos

d'água

Preparação do

fluido de corte

(emulsão)

• Contato com pele do operador e

inalação de vapores

Doenças respiratórias e de

pele

Etapas do sistema

produtivo

• Respingos e contato com a pele do

operador; • Vazamentos para rede de

coleta de esgoto; • Formação de névoa e

vapores; • Formação de lamas de

retificação.

Diversas doenças e irritações

de pele (dermatites e

eczemas) do operador, e

doenças respiratórias;

Contaminação de rios e solos

Armazenagem,

transporte e descarte

de cavaco como

sucata para fundição

• Vazamentos de fluidos de corte em

terrenos e estradas; • Emissões de gases

tóxicos na atmosfera

Contaminação de rios, solos e

ar atmosférico

Armazenagem e

descarte de resíduos

de fluido de corte

• Vazamentos de resíduos para o meio

ambiente; • Eliminação de resíduos em

local não autorizado

Contaminação de rios e solos

Como observado, o fluído de corte não é um processo muito saudável, tanto para

o meio ambiente quanto ao operador da máquina. Assim sendo, na realização deste

trabalho, houve entre algumas preocupações, a necessidade de aprimorar o processo de

usinagem.

Capítulo 4

Tabela 2 - Principais riscos ambientais decorrentes do uso, manuseio e descarte de fluidos de corte

utilizados em processos de usinagem (Dias, 2000).

25

RESULTADOS E DISCUSSÕES

4. Otimização da broca de centro

Como vimos na introdução deste trabalho o homem sempre teve a necessidade

de evoluir, de buscar algo melhor para seu próprio beneficio.

Antes da primeira guerra mundial, o virabrequim não existia. No seu lugar havia

uma cremalheira entre o pistão e o volante do automóvel.

Com o passar do tempo esta peça foi substituída pela árvore de manivelas ou

virabrequim. Esta peça passou a fazer parte do motor, com a finalidade de transformar o

combustível em energia.

Toda vez que há necessidades de mudanças, seja na própria peça ou na

ferramenta que “a produz” é porque existe algo mais eficaz, ou que traz algum beneficio

para a empresa.

Este trabalho propõem a melhoria no processo de pré-usinagem do virabrequim

utilizando a broca de centro, que recebeu uma cobertura de titânio para que houvesse

um aumento na sua vida útil.

Para que isso se concretizasse definitivamente, houve a necessidade de realizar

alguns ensaios, para que fosse possível identificar o processo mais propicio, ou seja,

identificou-se as melhores condições para o processo de furação do virabrequim.

Os testes realizados no processo de furação foram:

• Processo de furação da peça a seco:

Neste processo a broca faz o furo nas extremidades do virabrequim sem fluído

de corte e sem cobertura.

26

• Processo de furação da peça com fluído de corte:

Neste processo é feito uma aplicação de fluído de corte através de nevoa, ou

seja, o lubrificante é pulverizado pelo ar comprimido (MQL – Mínima Quantidade de

Lubrificante).

• Processo de furação da peça com cobertura de titânio:

Na furação com cobertura de titânio, a ferramenta recebe uma camada de

revestimento que a protege de um maior desgaste, durante o processo de furação.

• Processo de furação da peça com cobertura de futura:

Na furação com cobertura de futura, a ferramenta recebe uma camada de

revestimento que a protege de um maior desgaste, durante o processo de furação.

• Processo de furação da peça com cobertura de titânio e com fluído:

Na furação com cobertura de titânio e com fluído, além da ferramenta ter a

cobertura protetora contra maior desgaste e aquecimento, ela recebe em sua ponta um

jato mínimo de lubrificante.

Com os ensaios realizados o objetivo foi identificar quais dos processos

melhoraria a vida útil da ferramenta, ou seja, qual produziria / furaria mais peças, com

aceitável acabamento dos furos de centro.

Para que se entenda a necessidade da melhoria é importante compreender as

condições em que a produção do virabrequim, se encontrava:

O processo de furação do virabrequim era realizado a seco, ou seja, não se

utilizava nenhum tipo de óleo refrigerante / cobertura.

Nesse processo a broca de centro, feita em aço rápido, sem cobertura tinha em

média uma vida útil de 100 furos por aresta.

27

Havia a possibilidade de afiar a ferramenta, fazendo com que a mesma chegasse

a usinar, em média 1200 furos.

Diante destes dados, chegou-se a conclusão que o atual processo apresentava

condições muito desfavoráveis, pois o consumo desta ferramenta estava muito alto,

além dos altos tempos de preset, pois havia-se a necessidade de a cada duas horas o

operador ter que afiar / trocar a ferramenta. A troca / afiação da ferramenta leva

aproximadamente dez minutos. Durante os testes realizados foram observadas

vantagens e desvantagens.

No processo de furação a seco a vantagem é que o operador trabalha sem

contato com fluídos, que são prejudiciais a saúde.

Porém, em questão de produtividade este processo não é muito eficaz, pois a

ferramenta sofre muito desgaste, não tendo assim uma vida útil satisfatória.

Já no processo de furação com fluido, a desvantagem é que o operador entra em

contato com uma substância nociva a saúde, e este fluído empasta a saída de cavaco da

ferramenta ocasionando sua quebra.

No processo com cobertura de futura a ferramenta teve um bom desempenho,

porém adquiriu uma temperatura muito elevada, ocasionando a quebra da ponta da

ferramenta . Além disso o custo do revestimento é muito alto.

Para o processo de furação com cobertura de titânio e lubrificante também teve-

se um bom rendimento em relação a vida útil da ferramenta. No entanto, apesar da

utilização da cobertura, o lubrificante ocasionava problemas na saída do cavaco, além

disso o lubrificante prejudicava a saúde dos operadores.

28

O processo mais viável foi o de furação com cobertura de titânio, pois além de

atingir um ótimo rendimento, alterou sua vida média útil de 100 para 500 furos por

aresta.

Afiando-se a broca de centro para estas condições, a quantidade de furos passou

para 6000 furos, sendo que a ferramenta pode ser afiada em média seis vezes.

29

5. Resultados obtidos com a melhoria

Neste capítulo será apresentado os resultados obtidos com os ensaios no

processo de furação do virabrequim. Para obtenção de resultados satisfatórios e que

pudessem ser implantados efetivamente na linha de produção, foram realizados sete

ensaios em cada tipo de processo (a seco; com fluído; com cobertura de titânio; com

cobertura de futura e com cobertura de titânio/fluído) todos com os mesmos parâmetros

de corte para que fosse possível identificar o processo mais viável.

5.1 – Processo de furação a seco

Testes realizados Quant. de furos p/ aresta rpm F (Avanço da ferramenta)

1 72 300 1,5 mm/seg 2 84 300 1,5 mm/seg 3 36 300 1,5 mm/seg 4 133 300 1,5 mm/seg 5 97 300 1,5 mm/seg 6 126 300 1,5 mm/seg 7 152 300 1,5 mm/seg

Tabela 3 – Resultados obtidos com o processo de furação a seco

30

84

36

133126

152

72

97

0

15

30

45

60

75

90

105

120

135

150

1 2 3 4 5 6 7

Número de ensaios

Qua

ntid

ades

de

furo

s

Quant. de furos p/ aresta

M édia = 100 pçs

Considerações: Através da representação gráfica percebesse que houve uma variação

muito grande em relação a vida da broca de centro. Algumas ferramentas resistiram

pouco, como mostra o terceiro ensaio realizado, onde a ponta da broca quebrou,

enquanto outras, resistiram aproximadamente 76% a mais como mostra o sétimo ensaio,

tendo uma vida útil melhor. Portanto, a média obtida com estes ensaios foi de 100 furos

por aresta.

5.2 – Processo de furação com fluído



Gráfico 1 – Vida média da ferramenta processo de furação a seco

Tabela 4 – Resultados obtidos com o processo de furação com fluído

31

91

45

204

117108158

306

0

50

100

150

200

250

300

1 2 3 4 5 6 7

Números de ensaios

Qua

ntid

ades

de

furo

s


M édia = 147 pçs

Considerações: No processo com fluído vaporizado (MQL), teve-se variações

consideráveis, porém conseguiu-se uma média maior do que no processo a seco.

Obteve-se uma vida média de 147 furos por aresta. Os valores dos testes variaram de 45

a 306 furos. Diante destes resultados ficou inviável a implementação deste processo,

pois os números de furos realizados em cada ensaio estavam instáveis.

5.3 – Processo de furação com cobertura de titânio



Gráfico 2 – Vida média da ferramenta no processo de furação com fluído

Tabela 5 – Resultados obtidos com o processo de furação com cobertura de titânio

32

403

656

518

391

569

465

498

0

100

200

300

400

500

600

700

1 2 3 4 5 6 7

Números de ensaios

Qua

ntid

ades

de

furo

s


M édia = 500 pçs

Considerações: Neste processo com cobertura de titânio observa-se pouca variação de

uma ferramenta para outra. Nestes ensaios, a ferramenta se comportou de forma mais

uniforme. O desgaste da aresta da broca de centro neste processo foi amortecido em

função da cobertura de titânio, aumentando assim a vida útil da ferramenta para 500

furos por aresta.

5.4 – Processo de furação com cobertura de futura



Gráfico 3 – Vida média da ferramenta no processo de furação com cobertura de titânio

Tabela 6 – Resultados obtidos com o processo de furação com cobertura de futura

33

517

103

454

374

606

297

393

0

100

200

300

400

500

600

1 2 3 4 5 6 7

Números de ensaios

Qua

ntid

ades

de

furo

s


M édia = 397 pçs

Considerações: No primeiro teste realizado com a cobertura de futura teve-se um

ótimo resultado (517 furos), porém no segundo teste, quebrou a ponta da broca com

apenas 103 furos. Está cobertura de futura se torna inviável, pois além do cavaco

empastar na aresta da ferramenta, seu custo é de aproximadamente 20% a mais do que

o custo da cobertura de titânio, apesar de apresentar uma vida média útil de 392 furos.

5.5 – Processo de furação com cobertura de titânio e fluído



Gráfico 4 – Vida média da ferramenta no processo de furação com cobertura de futura

Tabela 7 – Resultados obtidos com o processo de furação com cobertura de titânio e fluido

34

256

106

607

396

479

362

357

0

70

140

210

280

350

420

490

560

630

1 2 3 4 5 6 7

Números de ensaios

Qua

ntid

ades

de

furo

s


M édia = 366 pçs

Considerações: Neste processo obteve-se uma vida média de 366 furos por aresta. O

processo se torna inviável, pois a variação é grande, não obtendo assim, uma média

ponderada que garanta um processo estável.

5.6 – Comparação dos ensaios realizados

Processo de furação Quant. de furos p/ aresta * rpm F (Avanço da ferramenta)

a seco 100 300 1,5 mm/seg c/ fluído 147 300 1,5 mm/seg c/ cobertura de titânio 500 300 1,5 mm/seg c/ cobertura de futura 392 300 1,5 mm/seg c/ cobertura de titânio e c/ fluído 366 300 1,5 mm/seg

* vida média da ferramenta

Gráfico 5 – Vida média da ferramenta no processo de furação com cobertura de titânio com fluido

Tabela 8 – Resultados obtidos com a comparação dos ensaios realizados

35

0

40

80

120

160

200

240

280

320

360

400

440

480

520

a seco

c/ f luído

c/ cobertura de t itâ

nio

c/ cobertura de futura

c/ cobertura de t itâ

nio e c/ f luído

Processos

Núm

ero

de

furo

s p/

are

sta

Considerações: De acordo com as médias adquiridas nos ensaios (vida útil da

ferramenta), pode-se montar um gráfico comparativo que mostra o processo mais viável

para ser implementado na linha de produção. Observa-se, no gráfico acima, que o menor

rendimento foi no processo a seco, em seguida estão os processos com fluído; com

cobertura de titânio/fluído; com cobertura de futura e por fim o mais indicado: o

processo com cobertura de titânio.

Pode-se observar também que os processos com cobertura de futura e o com cobertura

de titânio/fluído tiveram uma média bem próxima, em relação a vida útil da ferramenta,

porém menos indicados como alterações no processo.

Gráfico 6 – Resultados obtidos com a comparação dos ensaios realizados

36

Os testes com fluído e a seco foram os que mais apresentaram problemas como:

empastamento de cavaco, queima da aresta (ângulo) e quebra da ferramenta,

diminuindo-se assim a vida útil da mesma.

5.7 – Quantidade de preset / vida da ferramenta

Processo de furação Numeros de furos p/ aresta Quantidade de preset

a seco 100 1 c/ cobertura de titânio 500 1

100

500

1 1

0

100

200

300

400

500

600

a seco c/ cobertura de titânio

Processos

Núm

ero

de fu

ros

0

2

4

6

Quantidade de furos

Numero de preset

Qua

ntid

ade

de

pre

set

Tabela 9 – Quantidade de preset em relação a vida da ferramenta

Gráfico 7 – Quantidade de preset em relação a vida da ferramenta

37

Considerações: Neste gráfico fica claro a vantagem em relação ao número de preset´s

realizados durante o processo de furação. Anteriormente, a cada cem peças furadas

precisava-se realizar um preset na ferramenta. Após a melhoria implementada (com

cobertura de titânio) a cada quinhentos furos passou a se realizar o preset. Portanto, com

a melhoria passou-se a realizar quatrocentos furos a mais para realizar o preset previsto

no processo.

5.8 – Economia de tempo gasto com preset da ferramenta

Processo de furação Tempo gasto (h/ano) Tempo economizado (h/ano)

a seco 178 0 c/ cobertura de titânio 36 142

178

36

0

142

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

a seco c/ cobertura de titânio

Processos

Tem

po (

h/an

o)

Tempo gasto

Tempo economizado

Tabela 10 – Economia do tempo gasto com preset

Gráfico 8 – Economia do tempo gasto com preset

38

Considerações: Quando se tinha o processo a seco de furação gastava-se em média 178

horas por ano com os preset´s realizados. Com a melhoria o tempo gasto com o preset

caiu para 36 horas por ano. Portanto, a empresa teve uma economia de 142 horas ao

ano. Isso significa um aumento na produção, já que a máquina fica menos tempo

parada.

39

Capítulo 5

CONCLUSÃO

Com este trabalho pode-se concluir que uma empresa precisa estar sempre buscando

recursos para melhorar o processo de fabricação e reduzir os custos, mantendo a

qualidade no produto.

Através dos ensaios realizados na empresa obteve-se determinados resultados que pode

ser implementados, como vimos para o processo de pré-usinagem do virabrequim a

furação adequada foi a com cobertura de titânio, pois mostrou um rendimento

satisfatório de quatro vezes mais do que a ferramenta sem a cobertura, além disso, teve-

se outras vantagens como: tempo gasto e economizado com os preset´s da ferramenta,

redução do número de preset´s realizados em relação a quantia de furos, fadiga do

operador em relação a quantia excessiva de preset da ferramenta e economia no

consumo de brocas de centro com a implementação da mudança.

40

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