CONVERSO DE UMA FURADEIRA FRESADORA MANUAL EM UMA FRESADORA CNC PARA VIABILIZAR FABRICAO EM SRIE DE MICROTROCADORES DE CALOR Mariana Couto da Silva ProjetodeGraduaoapresentadoaoCurso deEngenhariaMecnicadaEscola Politcnica,UniversidadeFederaldoRiode Janeiro, como parte dos requisitos necessrios obteno do ttulo de Engenheiro. Orientadores: Carolina Palma Naveira Cotta Jeziel da Silva Nunes Rio de Janeiro Maro de 2014 UNI VERSI DADE FEDERAL DO RI O DE J ANEIRO Departamento de Engenharia Mecnica DEM/POLI/UFRJ CONVERSO DE UMA FURADEIRA FRESADORA MANUAL EM UMA FRESADORA CNC PARA VIABILIZAR FABRICAO EM SRIE DE MICROTROCADORES DE CALOR Mariana Couto da Silva PROJETOFINALSUBMETIDOAOCORPODOCENTEDODEPARTAMENTO DEENGENHARIAMECNICADAESCOLAPOLITCNICADA UNIVERSIDADEFEDERALDORIODEJANEIROCOMOPARTEDOS REQUISITOSNECESSRIOSPARAAOBTENODOGRAUDE ENGENHEIRO MECNICO. Aprovado por: ________________________________________________ Profa. Carolina Palma Naveira Cotta, D.Sc. ________________________________________________ Prof. Jeziel da Silva Nunes, D.Sc. ________________________________________________ Prof. Renato Machado Cotta, Ph.D. ________________________________________________ Prof. Fernando Pereira Duda, D.Sc. ________________________________________________ Prof. Luiz Otvio Saraiva Ferreira, D.Sc. RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL MARO DE 2014iii Silva, Mariana Couto Converso de uma furadeira fresadora manual em uma fresadora cnc para viabilizar fabricao em srie de microtrocadores de calor/ Mariana Couto da Silva. Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politcnica, 2014. viii, 49 p.: il.; 29,7 cm. Orientador: Carolina Palma Naveira Cotta Projeto de Graduao UFRJ/ Escola Politcnica/ Departamento de Engenharia Mecnica, 2014. Referncias Bibliogrficas: p. 48-49. 1. Adaptao de Mquina Ferramenta. 2. Microtrocadores de Calor. I. Cotta, Carolina Palma Naveira. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politcnica, Departamento de Engenharia Mecnica. III. Ttulo iv Agradecimentos Agradeo primeiramente a Deus, pois Ele o responsvel por todas as conquistas em minha vida. Sem Ele nada teria sido possvel, obrigada Senhor! Em seguida, agradeo aos meus pais, Clia Regina e Dillon, que me inspiraram na escolha desta carreira, e sempre me incentivaram e ajudaram a no desistir. Ao que acima de tudo meu grande amigo, meu namorado Marcos Vincius, nos momentos mais difceis desta caminhada, o seuapoiofoifundamental,meanimandoemostrandoquesemprehaviaumasoluo,no importando qual fosse o problema. Agradeo ao professor Jeziel Nunes, e professora Carolina Cotta, pela orientao e apoio durante todos esses meses de trabalho. Aos amigos do Lab. MEMS, que tanto me ajudaram no desenvolvimento deste projeto. Efinalmente,agradeoaosmembrosdaminhabancaavaliadora,osprofessoresRenato Cotta,FernandoDuda,eLuizOtvioFerreira,porestarempresentesnestemomentoepelas contribuies a este trabalho. v Resumo do projeto de graduao apresentado ao DEM/UFRJ como parte dos requisitos necessrios para obteno do grau de Engenheiro Mecnico. CONVERSO DE UMA FURADEIRA FRESADORA MANUAL EM UMA FRESADORA CNC PARA VIABILIZAR FABRICAO EM SRIE DE MICROTROCADORES DE CALOR Mariana Couto da Silva Maro/2014 Orientadores: Carolina Palma Naveira Cotta Jeziel da Silva Nunes Curso: Engenharia Mecnica Este trabalho tem como objetivo converter uma furadeira fresadora manual em uma fresadoradecomandonumrico,maisprecisaqueamquinaoriginal.Umadas motivaes para este trabalho a necessidade da utilizao pelos alunos do Lab. MEMS deumamicrofresadoraparaconfecodemicrodispositivosdetrocatrmica.Porse tratardeumequipamentodelicado,cujaspeasdereposioeferramentastmum custoelevado,desejvelqueosalunossejamhabilitadosautilizarasmquinasde controlenumrico,fundamentaisfabricaodoscomponentesparasuasexperincias atravs de uma sequencia de operaes de fabricao. Os alunos no desenvolvimento de suaspesquisastemnecessidadededesenvolverefabricarmicrocomponentesque envolvemmicrofresamentodepreciso.Nesteprocessoosalunosiniciamcomapr-fabricaodepeasnafresadoraobjetodestetrabalho,ondeasoperaesdepr fabricaoeosdesbastesdemaiorvultosoexecutadaspreparandoaspeasparaas operaes de micro fresamento. Em particular, esta fresadora ser utilizada para fabricar microtrocadores de calor para um sistema de arrefecimento de coletores fotovoltaicos. vi Abstract of Undergraduate Project presented to DEM/UFRJ as a part of fulfillment of the requirements for the degree of Engineer. CONVERSION OF A MANUAL DRILL MILLING MACHINE ON A CNC MILLING MACHINE FOR MANUFACTURING IN SERIES MICRO-HEAT EXCHANGERS. Mariana Couto da Silva March/2014 Advisor: Carolina Palma Naveira Cotta Jeziel da Silva Nunes Course: Mechanical Engineering Thisstudyaimstotransformamanualdrillingandmillingmachineona numericallycontrolledmillingmachine,moreaccuratethantheoriginalmachine.One of the motivations for this work is the need to train students in Lab MEMS for the use ofamicromillingmachine,CNChighprecision.Becauseitisanextremelydelicate equipmentwhosesparepartsandtoolshaveahighcost,itisdesirablethatstudents acquire prior knowledge about milling and CNC machine in a more robust, with lower costs of maintenance and operation. In addition, there is also this same lab a demand for manufacturing parts in micro and mini scale for some research in development. With the increase in accuracy and the implementation of numerical control system, milling macro can be used to pre -fabrication of such parts . And it is this possibility of prefabrication of parts, the main motivation for this work, as will enable the mass production of micro-heat exchangers , which is used for cooling of photovoltaic cells with high concentration of sunlight system. vii Sumrio 1.INTRODUO................................................................................................................. 1 1.1.Motivao ------------------------------------------------------------------------------------------------ 1 1.2.Objetivo--------------------------------------------------------------------------------------------------- 3 1.3.Estrutura do Trabalho ---------------------------------------------------------------------------------- 4 2.REVISO BIBLIOGRFICA ...................................................................................... 6 2.1.Adaptaes de Fresadoras Manuais em Sistemas CNC. ---------------------------------------- 6 2.2.Microtrocadores de Calor ---------------------------------------------------------------------------- 11 3.FURADEIRA FRESADORA MR-205 ..................................................................... 14 4.PROJETO DE CONVERSO ................................................................................... 18 4.1.Descrio Geral ---------------------------------------------------------------------------------------- 18 4.2.Especificaes de Projeto ---------------------------------------------------------------------------- 19 4.3.Seleo dos Principais Componentes -------------------------------------------------------------- 25 4.3.1.Fusos de Esferas Recirculantes ........................................................................... 25 4.3.2.Motores de Passo ................................................................................................. 30 4.3.3.Sistema de Controle ............................................................................................ 32 5.EXECUO DAS ADAPTAES .......................................................................... 35 5.1.Adaptaes na Direo X ---------------------------------------------------------------------------- 36 5.2.Adaptaes na Direo Y ---------------------------------------------------------------------------- 39 5.3.Adaptaes na Direo Z ----------------------------------------------------------------------------- 41 5.4.Adaptaes Adicinais --------------------------------------------------------------------------------- 44 6.UTILIZAO DA MQUINA CONVERTIDA ................................................... 46 7.CONCLUSO ................................................................................................................ 51 8.BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................... 53 viii APNDICE I DESENHOS TCNICOS .......................................................................... I Lista de desenhos: --------------------------------------------------------------------------------------- I Desenho 01: Fuso X ------------------------------------------------------------------------------------ II Desenho 02: Fuso Y ----------------------------------------------------------------------------------- III Desenho 03: Fuso Z ----------------------------------------------------------------------------------- IV Desenho 04: Suporte da Castanha X ---------------------------------------------------------------- V Desenho 05: Suporte da Castanha Y --------------------------------------------------------------- VI Desenho 06: Suporte da Castanha Z -------------------------------------------------------------- VII Desenho 07: Suporte Posterior -------------------------------------------------------------------- VIII Desenho 08: Mancal Direito ------------------------------------------------------------------------- IX Desenho 09: Mancal Esquerdo ----------------------------------------------------------------------- X Desenho 10: Suporte Superior ---------------------------------------------------------------------- XI Desenho 11: Suporte do Olhal --------------------------------------------------------------------- XII APNDICE II CATLOGOS ...................................................................................... XIII Catalogo da Furadeira Fresadora MR-205: ----------------------------------------------------- XIII Catalogo dos Fusos: -------------------------------------------------------------------------------- XIV Catalogo dos Motores de Passo: ----------------------------------------------------------------- XVI Catalogo dos Drivers dos motores: ------------------------------------------------------------- XVII Catalogo dos Amortecedores: ------------------------------------------------------------------ XVIII Catalogo dos Cabos de Ao e Acessrios: ----------------------------------------------------- XIX 1 1.Introduo 1.1. Motivao Ofresamentoumaoperaodeusinagemqueconsistenaremoodecavaco, atravsdarotaoedoavanodeumaferramentamulticortante.Esteumdosmais importantes processos de fabricao mecnicos principalmente por ser bastante verstil. partirdadcadadecinquenta,comodesenvolvimentocadavezmaiorda indstriaaeronuticaamericana,haviaumademandaporaltaprodutividadedepeas complexaseprecisas,nestecontextosurgiramasprimeirasmquinasferramentascom controle numrico, que revolucionaram a fabricao de peas. Nosanosqueseseguiram,estatecnologiafoisendoaprimorada,massomentena dcada de setenta, foram incorporados estes equipamentos computadores dedicados ao controladornumrico.Foiquandosurgiudefatoaprimeiramquinacomcontrole numrico computadorizado, isto , uma CNC, do ingls Computer Numeric Control. Estas maquinas continuaram sendo aprimoradas, e atualmente h uma vasta gama de equipamentos CNC. As fresadoras de comando numrico possuem altssima preciso e versatilidade,existeminmerostiposetamanhosdesteequipamentodisponveisno mercado, podendo ir dos grandes centros de usinagem at as micro fresadoras. NoLab.MEMS(LaboratriodeNanoeMicroFludicaeMicrossistemas)ha necessidadededesenvolvimentoefabricaodemicrocomponentesparadiversas pesquisasrealizadas.Dentreosvriosprocessosutilizadosparafabricaode microdispositivosamicrousinagemumdeles.Pararealizarestetipodetrabalho,o laboratriocontacomumamicrofresadoradecomandonumrico,equipamento bastante preciso, porm delicado, cujos insumos so muito caros. Umadaspesquisasemdesenvolvimento,inseridanumcontextodecooperao internacionalentreoLab.MEMSeoLTNT(LaboratriodeTermodinmicaem TecnologiasEmergentes)doETHZurich,Suia.apropostadeutilizaode microtrocadoresdecalorparaarefrigeraodeclulasfotovoltaicascomalta concentrao(HCPV)eoaproveitamentodocalorrejeitadoparadessalinizaode gua, atravs de um dessalinizador de membrana. Clulas fotovoltaicas so dispositivos que convertem a energia solar diretamente emeletricidadepormeiodeefeitofotovoltaico.Empainisfotovoltaicostradicionais, 2 todaasuperfciedopainelcobertacommaterialsemicondutor,materialesteque possui custo elevado. O sistema fotovoltaico de alta contrao se baseia na focalizao e concentraodaluzsolar,atravsdautilizaodelentesespeciaissobrepequenas clulasfotovoltaicas.Comautilizaodestesistemaareadopainelcobertacom materialsemicondutormnima,oquepropiciaumaconsiderveldiminuiodos custos de tal sistema se comparado ao sistema tradicional. Porm,comautilizaodesistemasdealtaconcentraohumagrande quantidadedeenergiaqueperdidanaformadecalor.Estecalorcausaoaumentoda temperaturadaclulafotovoltaica,diminuindoassimsuaeficincia,comopossvel constatar observando a figura 01. Figura 01 Variao da eficincia em funo temperatura em uma clula fotovoltaica. Fonte: GUERRIERI [6]. Visandoaumentaraeficinciadaclulafotovoltaicaeevitarsuadegradao pelatemperaturaexcessiva,desenvolveu-seumsistemaderefrigeraobaseadono conceito de microtrocadores de calor com refrigerante liquido. Alm disso, a utilizao destesistemadearrefecimentopossibilitartambmqueocalordissipadopelaclula fotovoltaicasejaaproveitadoemoutrosprocessos.Nocasoespecficodapesquisa desenvolvida, o calor ser utilizado no processo de dessalinizao da gua. Microtrocadoresdecalortmamesmafunodetrocadoresdecalor convencionaisdemacroescala,ouseja,sodispositivosquevisamatransfernciade energia trmica de um meio para outro de maneira eficiente. So geralmente utilizados 3 emprocessosondehanecessidadedeaquecimentooudearrefecimento.So geralmentefabricadosdemateriaisquepossuemaltoscoeficientesdecondutividade trmica. Trocadoresdecalorsoamplamenteutilizadosindustrialmente,comopor exemploemaquecedores,sistemasdearcondicionado,plantasqumicase petroqumicas,usinastermoeltricas.Josmicrotrocadoresdecalorsomais comumenteutilizadosparaoarrefecimentodecircuitoseletrnicos,pormhtambm uma vasta gama de aplicaes deste dispositivo. Nocasoespecficodapesquisanaqualestetrabalhoestinserido,um microtrocador de calor dever ser instalado sob cada clula fotovoltaicados painis de gerao de energia. Tendo em vista que foram adquiridos para tal pesquisa dez painis, sendo cada um deles composto por trinta clulas fotovoltaicas, ser necessrio viabilizar a fabricao em srie desses microtrocadores. Atualmente,osprottiposdestesmicrotrocadoresdecalortmsidofabricadosem cobre, inteiramente atravs de micro usinagem, porm desta forma, o tempo gasto para a fabricao de cada pea e o custo de reposio das ferramentas gastas, bastante alto. O que inviabiliza a produo de todas as peas por este mtodo. Ento, a principal motivao para este trabalho viabilizar a fabricao em srie destesmicrotrocadoresdecalor.Eparaisso,umafuradeirafresadoramanualfoi convertidaemumafresadoradecomandonumrico,queserempregadanapr-fabricaodestaspeas.Apsaconversoserrealizada,esteequipamentopoder tambmserutilizadoparaafabricaodediversoscomponentes,paraoutrosprojetos em desenvolvimento. 1.2. Objetivo Oprincipalobjetivodestetrabalhofoiconverterumafuradeirafresadoramanual, comercializada no Brasil pela Manrod, modelo MR-205, em uma fresadora de comando numrico,deformaquesejapossvelemprega-lanapr-fabricaodepeas,cuja usinagem ser finalizada na micro fresadora CNC, j utilizada no laboratrio. Originalmente,aMR-205noumequipamentodemuitapreciso,epossui bastantefolgaemdiversoscomponentes.Umdosobjetivosdaconversoeliminar estasfolgas,permitidoassimqueaspeasfabricadasnamquinaconvertidasejam 4 compatveiscomamicrofresadora,etambm,reduzirotempototalgastopara fabricaodecadaumdestescomponentes,jqueasusinagensdemaispesadassero realizadas na fresadora maior diminuindo assim as operaes na micro fresadora. Ouseja,amicrofresadoradeverserutilizadaapenasparaexecuodemicro fabricao,eamacrofresadoradeversercapazdefabricarcomadevidaprecisoas pr-formas de macro escala.Alm disso, o funcionamento da macro fresadora aps ser convertida em CNC, ser muito prximo do funcionamento da micro fresadora j que utilizar o mesmo processo decontrole.Destaformaosalunospoderoadquirirexperincianaoperaodeuma CNC,emumequipamentomaisrobusto,cujocustodemanuteno,depeasde reposio,edasprpriasferramentasbaixo,secomparadoaosdamicrofresadora. Podendo posteriormente operar com maior destreza o equipamento mais delicado e mais caro. 1.3. Estrutura do Trabalho Nosegundocaptulodestetrabalho,feitaumabreverevisobibliogrfica, abordadoosprincipaisassuntosqueserodiscutidosnoscaptulosseguintes. Primeiramente,serfeitaumaapresentaodeprojetosdeconversodemquinas manuaisemmquinasCNCs.Emseguida,somostradasgeometriasde microtrocadoresdecalor,queutilizamrefrigerantelquidoparaoarrefecimentode clulasfotovoltaicas.descritotambmomtodosdefabricaodeumdestes trocadores. Oterceirocaptuloapresentaemdetalhesofuncionamentodafuradeirafresadora manual MR-205, foco deste estudo. Noquartocaptulodesenvolvidooprojetoparaconversodafuradeirafresadora manualMR-205emumafresadoradecomandonumricocomputadorizado,neste captulosofeitastodasasdefinieseespecificaesdoprojeto,esoselecionados novosfusosparasubstituirosoriginais,almdisso,soselecionadostambmos motores de passo e o sistema de controle computadorizado. Oquintocaptuloexplicacadaumadasmodificaesfeitasnamquinaoriginal,e mostra todas as peas que precisaram ser fabricadas para tornar possvel sua converso em CNC. 5 No penltimo captulo abordada a demanda do Lab. MEMS de fabricao de uma grande quantidade de microtrocadores de calor. desenvolvido um plano de utilizao da mquina aps sua converso, para que possibilite a fabricao em srie de tais peas. Para concluir o trabalho, o stimo captulo descreve brevemente as caractersticas da MR-205apstersidofeitasuaconversoemumafresadoradecontrolenumrico.E mostraqueosobjetivosiniciaisdemelhoraraprecisoeimplementarumsistemade controlecomputacionalcominterfaceequivalenteaodamicrofresadora,foram alcanados. 6 2.Reviso Bibliogrfica 2.1. Adaptaes de Fresadoras Manuais em Sistemas CNC. Ograndesucessodasmquinasferramentascontroladasnumericamentesedeve principalmenteaofatodequeasprincipaiscaractersticasdesejveisemumamquina ferramenta so: alta produtividade, flexibilidade para fabricao de vrios tipos de pea, capacidadedeexecuodepeasaltamentecomplexas,egrandecapacidadede repetitividade e preciso. Mquinasferramentasconvencionaispossuemgrandeflexibilidade,pormtma capacidadedefabricarpeascomaltograudecomplexidade,eascaractersticasde repetitividade, preciso e produtividade, dependem da habilidade do operador. Jasmquinasferramentasautomticasoucopiadoras,podemproduzirpeas bastantecomplexas,comumaboarepetitividadeepreciso,almdeteremalta produtividade. Porm, neste tipo de mquina h pouca flexibilidade, devido no s aos altoscustosdosacessrios,comotambmaotempoelevadoparapreparaoda mquina. Entretanto,asmquinasferramentascomcontrolenumricocomputacional possuemtodasascaractersticascitadasanteriormente,comodesejveisemuma mquinaferramenta,eporaliartodasessascaractersticasqueasCNCs revolucionaramausinagemdepeas,eatualmentesoextremamenteteisnossetores defabricaomecnicadosmaisdiversostiposdeindstria.Porm,ocustodo investimento inicial para adquirir este tipo de equipamento bastante elevado, de forma queindstriasdepequenoporteeatmesmotrabalhadoresautnomosdareade fabricao,quepossuempequenasoficinasmecnicas,notmcomoadquirirestes equipamentos.Porestarazo,existemempresasespecializadasemadaptarmquinas manuais em mquinas com comando numrico computadorizado. AempresaCENTROID[19]dizemseusitenainternet,quecomercializakits paraadaptaodepraticamentetodosostiposdefresadorasmanuaisemfresadoras CNC.Soapresentadoscomoexemplo,vriosprojetosdeconverso,poreles realizados,umdelesdeumafresadoraBridgeport,cujascaractersticasgeraisso semelhantes s da mquina que iremos estudar neste trabalho. 7 Asprincipaiscaractersticasdesteprojetosodescritasseguir.Osfusos originais foram substitudos por fusos de esferas recirculantes para aumentar a preciso do equipamento. Utilizou-se motores para automao dos trs eixos, porm foi mantida a opo do acionamento manual, de forma que a mquina pode ser utilizada totalmente manual,oucomoseixoshorizontaiscontroladosnumericamentepelocomputador enquantooeixoverticalcontroladomanualmente,ouainda,comostrseixos controladoscomputacionalmente.Otipodemotorempregadofoioservomotor,cada umdosmotoresfoiacopladoaosrespectivosfusosatravsdecorreiasdentadascom uma determinada relao de reduo. A interfaceentre o operador e a fresadora feita utilizando-seumtela,umtecladoepaineldecontrolecombotodesocopara emergncias, especfico para mquinas CNCs. ACENTROID[19]umaempresaquecomercializaosprojetosekitsde converso,porestarazoosdetalhesdedimensionamentoeseleodecomponentes utilizados,nosodisponibilizadosemseusite.Afigura02mostraafresadora Bridgeport convertida em CNC pela empresa. Figura 02 Fresadora Bridgeport convertida em CNC. Fonte: CENTROID [19]. 8 Htambmumasriedesites,blogsefrunsdediscussosobreesteassunto, disponveis na internet. O cientista da computaoWARFIELD [18], diretor executivo epresidentedaempresaCNCCookbook,converteusuaprpriafuradeirafresadora manual da Rong Fu, modelo RF-45, em uma mquina CNC, registrou em detalhes todas asetapasdesteprocessoepublicou-asnositedesuaempresa.Amquinaquefoi adaptada extremamente parecida com a MR-205, e esta um das razes para o projeto executadoporWARFIELD[18]serbastanterelevanteparaestetrabalho,outrarazo paratalrelevnciaaqualidadetcnicadeseuprojetoeariquezadedetalhesporele apresentados.Afigura03ilustraaRF-45apstersidoconvertidaemumafresadora CNC. Figura 03 Fresadora RF-45 convertida em CNC. Fonte: WARFIELD [18]. 9 WARFIELD[18]realizouaconversodaseguinteforma,primeiramentepoliu as superfcies decontato das guias rabo deandorinha dos trs eixos, em seguida, criou umsistemadelubrificaousinandoranhurasnassuperfciesdecontatodasguiase furosnassuperfcieslateraisdasguias,porondeoleoerainjetadoutilizando-seuma bomba de leo. Paraaumentararigidezdamquina,WARFIELD[18]preencheuaparte inferiordesuabasecomumcompsitochamadogranitoEpxi,compostopor62% (sessenta e dois por cento) de brita, 23% (vinte e trs por cento) de areia, e 15% (quinze porcento)deresinaEpxi,estassoproporesmssicas.Aparteinferiordacoluna tambmfoipreenchidacomestematerial.WARFIELD[18]fabricoupspara nivelamento utilizando discos de hquei. Visandomelhoraraprecisodosdeslocamentos,utilizoufusoscomdimetro primitivode0,75,epassode0,2,comcastanhasdeesferasrecirculantes.Osistema de acionamento manual dos fusos foi suprimido, e foi utilizado um servo motor para o acionamentocomputacionaldecadaumdostrseixos.Devidoescolhadestetipode motor,foinecessrioautilizaodeumsistemadecontrolebastantecomplexo,ea interface entre o operador e o sistema de controle, foi feito atravs do programa Mach3. O acoplamento dos motores s extremidades dos fusos, foram feitos atravs de sistemas reduo com correias dentadas. AEAS[20],umapequenaempresaamericanadareadeeletrnicaerobtica, trabalhaprincipalmentecomprojeto,fabricaoevendadecircuitoseletrnicos impressos. Em seu site da internet, mostram como converteram uma pequena fresadora manual em uma micro fresadora de controle numrico computadorizada. ParaestaconversoutilizaramtrsmotoresdepassomodeloNEMA23com torquede2N.m(doisNewtonmetro).Ofusoverticaloriginalfoisubstitudoporum fuso de esferas recirculantes, montado com pr carga, para minimizar as folgas. Para os fusoshorizontaisforamfabricadasnovascastanhasdeumpolmerochamadoresina poliacetal,comissohouveoaumentodareadecontatoentreosfusosesuas respectivascastanhas,estafoioutramaneiraencontradaparareduzirasfolgasna transmisso do movimento. Outraalteraofeitafoiasubstituiodasplacasparaajustedamesa,osgibs, queoriginalmenteeramdeao,porplacasdelato,poisolatoapesardepossuirum desgaste superficial maior que o do ao, possui coeficiente de atrito menor, com isso o torque necessrio para o acionamento dos fusos foi reduzido. 10 Ofusoverticalmovimentatodoocabeotedamquina,paraminimizaroesforo necessrio para mover o cabeote, foi utilizado neste projeto um sistema de contrapesos. A figura 04 ilustra a montagem final da micro fresadora CNC adaptada pela EAS [20]. Figura 04 Pequena fresadora manual convertida em micro fresadora CNC. Fonte: EAS [20]. Ostrsprojetosmostradosanteriormentepossuemumasriedecaractersticas semelhantessdoprojetoqueserdesenvolvidonosprximoscaptulos.Porm existemtambmconsiderveisdiferenasemcadaumdeles.Nosdoisprimeiros projetosmostradosaprincipaldiferenaconceitualcomrelaoaesteprojetoa escolhadotipodemotor,nosdoiscasososmotoresescolhidosforamdotiposervo motor, enquanto que neste trabalho, foi feita a opo de utilizao de motores de passo, 11 como ser posteriormente justificado. Conceitualmente, o terceiro projeto o que mais seassemelhaaeste,pormemumaescalareduzida,tendoemvistaqueaMR-205 uma mquina bem maior que a fresadora convertida pela EAS [20]. 2.2. Microtrocadores de Calor Estudosanterioresforamfeitossobreageometriaeaoperaodetaissistemas paraoarrefecimentodasclulasfotovoltaicas.CORRA[7]propsparatal,um modelo otimizado atravs da plataforma computacional CFX da ANSYS. As principais caractersticas do microtrocador de CORRA [7] so: trocador de calor de cobre, composto por rebaixo para colocao de oring, poos de distribuio de entradaedesadadefluidorefrigerante,edezoitocanaisretangularesde381m (trezentos e oitenta e um micrometros) de largura por 945 m (novecentos e quarenta e cincomicrometros)dealturapor10mm(dezmilmetros)decomprimento.Ofluido utilizadoagua,enodevehavermudanadefasedamesmanointeriordo microtrocador,portanto,amximatemperaturadofluidofoifixadaem95,15C.O modelo proposto por CORRA [7] ilustrado pela figura 05. Figura 05 Vista do microtrocador de calor proposto por CORRA [7]. Fonte: GUERRIERI [6]. Paraviabilizarafabricaodomicrotrocadordecalorpropostoanteriormente, GUERRIERI [6] props que fossem feitas algumas alteraes de ordem operacional no mesmo.NomicrotrocadorpropostoefabricadoporGUERRIERI[6]orebaixoparaa colocao de oring foi suprimido, e a vedao deste novo modelo de trocador foi feita 12 porpressoemsuperfciesdebaixarugosidade.Estaalteraopossibilitouoaumento docomprimentodoscanaisquepassaramaterdozemilmetrosaoinvsdosdez milmetros originais, aumentando assim a rea de troca trmica. Outra adaptao necessria, foi na largura dos canais do microtrocador de calor, CORRA[7]haviapropostoemseumodelootimizadoumcanalcom381m (trezentos e oitenta e um micrometros) de largura, porm no havia nenhuma ferramenta com esta dimenso. Foi definido ento que o canal passaria a ter 400 m (quatrocentos micrometros)delargura,poisesseeraodimetrodaferramentacomdimensesmais prximas s projetadas originalmente. GUERRIERI [6] projetou e fabricou tambm uma tampa para o micro trocador, omaterialutilizadofoitambmocobre,enasuperfciedatampahaviamdoispinos proeminentes nos quais eram acoplados os tubos para entrada e sada de lquido. Enfim,omicrotrocadordecalorfabricadoporGUERRIERI[6]ficoucoma seguinte geometria ilustrada na figura 06. Figura 06 Vista do microtrocador de calor fabricado por GUERRIERI [6]. Fonte:GUERRIERI [6]. GUERRIERI [6] fabricou seu microtrocador de calor utilizando principalmente a micro fresadora, da seguinte forma, primeiramente a partir de uma barra chata de cobre eletrolticocomespessurade1/8in(umoitavodepolegada)foicortadamanualmente utilizando-se um arco de serra, uma pastilha de 23 mm (vinte e trs milmetros) por 27 mm(vinteesetemilmetros),estapartilhafoiutilizadaparafabricarabasedo microtrocador.Deformaanloga,utilizandoumabarradomesmomaterialanterior, 13 porm com espessura de 1/4 in (um quarto de polegada), foi cortada uma pastilha para fabricao da tampa do microtrocador. A primeira pastilha foi fixada mesa da micro fresadora atravs de uma morsa e utilizando uma fresa de topo com dimetro de 2,032 mm, foi feito o faceamento dos seis ladosdapastilha,formandofinalmenteumapastilhade3mm(trsmilmetros)de espessura,por21(vinteeummilmetros)delargura,por25,5mm(vinteecinco milmetros e meio) de comprimento, com faces planas, garantindo devido paralelismo e perpendicularidade entre cada uma delas. Emseguida,aferramentafoisubstitudaporoutrafresadetopo,comdimetro de1,016mmcomaqualforamusinadososdoispoosdedistribuiodefluido. Substituindonovamenteaferramentaporoutrafresadetopode400m(quatrocentos micrometros) de dimetro, foram usinados os dezoito canais.Parafinalizarafabricaodabase,foramfeitosemumafuradeiradebancada, montadacomumabrocade1,6mm(umvirgulaseismilmetros)dedimetro,quatro furos passantes em cada uma das extremidades da pea. Em cada um desses furos foram abertasroscasM2(roscamtricadedoismilmetrosdedimetro),utilizando-seum macho. E por ltimo a superfcie da base do microtrocador, que ficar em contato com a tampa,foilixadacomumalixadguanmero1500,reduzindoassimsuarugosidade superficial. Em seguida, a segunda pastilha foi fixada mesa da micro fresadora, da mesma forma que a anterior. Com uma fresa de topo de2,032 mm, foi feito o faceamento das quatrosuperfcieslateraisdapea,edesuasuperfcieinferiorNasextasuperfciefoi feitoumfresamentodedesbaste,demaneiraaformarumapastilhacom2mm(dois milmetros de espessura), com dois pinos proeminentes em sua superfcie, para entrada e sada de fluido. Finalizandoafabricaodatampa,foramfeitosemumafuradeiradebancada, montada com uma broca de 2 mm (dois milmetros) de dimetro, quatro furos passantes em cada uma das extremidades da pea para fixao, e dois furos passantes um em cada pinoproeminenteparaentradaesadadefluido.Porltimoasuperfcieinferiorda tampadomicrotrocador,queficaremcontatocomabase,foilixadacomumalixa dgua nmero 1500, de maneira anloga ao que foi feito na base. 14 3.Furadeira Fresadora MR-205 AmquinaestudadanestetrabalhoafuradeirafresadoraMR-205,queuma mquina manual de mdio porte, fabricada na China e vendida no Brasil pela Manrod. uma mquina robusta que possui trs graus de liberdade de translao ( X, Y e Z ), e seu movimento em cada uma dessas direes feito sobre guias rabo de andorinha e atravs de fusos de perfil trapezoidal e passo dedois milmetros e meio. Os dois fusos horizontaissoacionadosmanualmenteporvolantescommanivelas,acoplados diretamentenasextremidadesdosfusos.Ofusoverticalacionadomanualmente atravsdeumamanivela,acopladaaumsistemadeengrenagenscnicasde45, permitindocomissoqueotorqueaplicadoemumadireonormaladofuso,possa movimenta-lo verticalmente. A figura 07, seguir, lustra a MR-205. Figura 07 Furadeira fresadora MR-205. Fonte: www.palaciodasferramentas.com.br Alm dos trs graus de liberdade, o cabeote sustentado por um colar que permite arotaodetodoocabeote,possibilitandoassimausinagememngulosquevariam de menos noventa graus a mais noventa graus. 15 Nointeriordocabeotehtambmumfusosecundrio,quemovimentaapenaso suporte da ferramenta na direo vertical, utilizado para o ajuste fino do posicionamento vertical da ferramenta. Este fuso utilizado quando necessrio medir o deslocamento verticaldaferramenta,poisnafrentedelehumarguaqueindicaoquantoele avanou.possvelacion-loatravsdeduasmanivelas,amaiornormalmente utilizadaparacontrolaroavanoemoperaesdefurao,jamanivelamenor normalmenteutilizadaparacontrolaraprofundidadedecorteemoperaesde fresamento.Afigura08mostraemdetalhesessescomponentesemumavistadaparte frontal do cabeote. Figura 08 Detalhe da parte frontal do cabeote da MR-205. Fonte: Imagem adaptada da Internet. Amesadecoordenadaspossuiumasuperfcieondeaspeasaseremusinadas podemserfixadasatravsderanhurasT.Ocomprimentodamesadecoordenadas de730mm(setecentosetrintamilmetros),ealargurade210mm(duzentosedez milmetros),pormseucursotilbemmenor,devidoexistnciadelimitadoresde curso a mesa tem liberdade para se mover por apenas 500 mm (quinhentos milmetros) emumadasdireesepor175mm(centoesetentaecincomilmetros)naoutra direo, conforme mostrado na figura 09. 16 Figura 09 Detalhe do curso til da mesa de coordenadas da MR-205. Fonte: Imagem adaptada da Internet. Verticalmenteocursodofusocontidonointeriordacolunade570mm (quinhentos e setenta milmetros), e o curso do fuso para ajuste fino, contido no interior docabeotede120mm(centoevintemilmetros).Pormocursotilverticala distanciamximaentreapontadoeixorvoreeamesadecoordenadas,portantoseu valor mximo de 475 (quatrocentos e setenta e cinco milmetros), conforme figura 10. Figura 10 Detalhe do curso til vertical da MR-205. 17 A mquina possibilita operaes de: furao com dimetros de at quarenta e cinco milmetros,fresamentodetopocomdimetrosdeatvinteeoitomilmetros,e faceamento com dimetros de at oitenta milmetros. O equipamento possui um encaixe internoparaConeMorsen4atravsdoqualasferramentassoacopladasamquina, diretamente ou com o auxilio de acessrios como madril e pinas. O movimento de rotao da ferramenta executado por um motor eltrico trifsico compotnciadeumemeioHPacopladoaumacaixadeengrenagensvariadorade velocidades que permite seis combinaes diferentes como mostrado na tabela 1. Tabela 01 Velocidades do eixo arvore em rpm. LMH I120 rpm210 rpm345 rpm II670 rpm1180 rpm1970 rpm Natabelasomostradososvalorespossveisdevelocidades,docabeote,para frequncia de 60 Hz.Esta mquina, com as configuraes originais de fabrica, no pode ser utilizada para fabricaodepeasemumaescalareduzida,oprincipalmotivoparatallimitaono soasdimensesdasferramentas,massimaprecisodoposicionamentoe deslocamento das mesmas, isto ocorre porque os fusos trapezoidais possuem uma folga elevada. Alm disso, operandoamquina manualmente, o nvel de complexidadedas peas que podem ser fabricadas, bem baixo e o tempo de fabricao elevado. Ento,visandominimizarasfolgasdamquinaparausinarcomadevidapreciso peasemescalareduzida,comgeometriascomplexaseemumcurtotempo,foi elaborado um projeto para converter a MR-205 em uma fresadora CNC. 18 4.Projeto de Converso 4.1. Descrio Geral O projeto consiste em converter a furadeira fresadora manual descrita anteriormente, em uma fresadora de comando numrico, que possibilite a fabricao em srie de peas em microescala com a devida preciso. Paraisso,primeiramenteprecisamosadotarumreferencial,queserdefinidode formaqueoplanoXYestarlocalizadosobreasuperfciedamesadocoordenadas, sendo: o eixo X paralelo ao fuso horizontal que faz com que a mesa se movimente para frenteeparatrs,eoeixoYparaleloaofusohorizontalquefazcomqueamesase movimentelateralmente.OeixoZdevercoincidircomoeixocentraldocabeote, onde as ferramentas sero fixadas, ou seja, ser paralelo ao fuso vertical. O sentido do eixo Z apontar de baixo para cima, e o sentido do eixo X apontar da parte posterior da mquina para a parte frontal da mquina. Como se trata de um sistema de coordenadas cartesiano, tendo sido definidos os sentidos dos eixo X e Z, o sentido do eixoYspoderserapontandodaesquerdaparaadireita,dopontodevistade observador parado em frente a mquina. O referencial adotado fica claro observando-se a figura 11, seguir. Figura 11 Sistema de coordenada cartesiano adotado. Fonte: Imagens adaptadas da Internet. 19 4.2. Especificaes de Projeto Ser feita a automao da fresadora, porm sero abordados por este projeto apenas os deslocamentos nas trs direes X, Y, e Z. No sendo consideradas neste projeto as possveisrotaesdocabeote,nemmovimentaesdofusosecundrio.Quandoa mquinaoperarcontroladacomputacionalmente,tertrsgrausdeliberdade,ea posiodocabeoteserfixada,comnguloderotaoigualazerograu.Joporta ferramentas, movimentado pelo fuso secundrio, ser fixado de forma que a ponta onde asferramentassoacopladasfiqueomaisprximopossveldocabeote,estaposio foi definida com intuito de diminuir vibraes da ferramenta. Quando a mquina estiver emoperao.Pormcasoopte-seporsuaoperaomanual,estaspartespoderoser utilizadas da mesma forma que se fazia no equipamento original. Amaquinaoriginalapresentafolgaacentuadanodeslocamentodamesanas direesXeY,sendonadireoXumafolgade0,30mmenadireoYafolga ainda maior, igual a 1,85mm. Estes valores foram quantificados utilizando-se os colares com escala, de ambas as direes, que serve para medir deslocamentos lineares da mesa horizontal. O procedimento foi o seguinte, primeiro giramos o manpulo em sentido horrio, at queamesacomeasseasemover,emseguidaocolarfoifixadoaomanpulona posiozero,porfimgiramosomanpulonosentidoanti-horrioatqueamesa estivesse na eminencia de se movimentar. A folga do fuso definida como este percurso no qual o fuso se movimenta, porm no gera movimentao linear da mesa.Na figura 12, possvel verificar fotos desta tomada de dados, onde pudemos ver que a folga em Xmenorqueumoitavodevolta,enquantoqueemYquasetrsquartosdevolta, considerandoqueopassodofusode2,5mm(doisemeiomilmetros),foifeitaa leitura dos valores lineares da folga citados anteriormente. 20 a)b) Figura 12 Folga dos fusos horizontais. a) Folga na direo X; b) Folga na direo Y. Operandooequipamentomanualmenteficouclaroqueessasfolgasnoseriam aceitveis em umafresadora CNC. Primeiramente porque mesmo na operao manual, quando a fora de corte aumentava a mesa se deslocava na direo oposta a de avano dando um tranco que quebrava a ferramenta. Casoosfusosfossemmantidos,essasfolgasprovocariamomesmoproblemana CNC,mascomousodocomandonumricohaveriamaisumagravante,queseriaa perda da preciso do posicionamento da ferramenta, aps o tranco da mesa a ferramenta noestariamaisondeoprogramaconsideravaqueelaesteva.Assimsendo,seria necessrioumcontroledemalhafechadadoposicionamentodaferramenta,com sensoresretroalimentandooprogramaatodoinstantecominformaessobreo posicionamento real da ferramenta. Para resolver definitivamente o problema das folgas nos fusos, que fazia com que as ferramentas se quebrassem, e diminua a preciso das peas fabricadas, foi definido que osfusosderoscatrapezoidalexistentesdeveriamsersubstitudosporfusosdeesferas recirculantes,comfolgasaxialeradialigualazero.Afolgazeroumaopode montagem deste tipo de fuso, e por esse motivo a castanha no deve ser desacoplada do fuso aps ter sido feita a montagem com folga zero. O acionamento dos fusos se dar atravs do acoplamento direto de motores de passo em uma das extremidades de cada um dos fusos principais, porm ser mantida a opo do acionamento manual atravs de manivelas ou manpulos. 21 Osistemadecontroledemquinasdecomandonumricopodeserdedoistipos: controledemalhaabertaecontroledemalhafechada.Ocontroledemalhaaberta mais simples e mais barato que o controle de malha fechada, pois neste tipo de sistema nosoutilizadossensoresparamonitoraroposicionamentodaferramentadurantea operao de usinagem. Neste sistema, o motor deve ser necessariamente o de passo, por setratardeummotorcomaltaprecisoemseuposicionamento.Afigura13mostra esquematicamente um sistema de controle de malha aberta Figura 13 Sistema de controle de malha aberta. Fonte: figura da apostila SILVEIRA [8]. Jquandoutilizadoumsistemadecontroledemalhafechada,noha necessidadedeseutilizarummotordepasso,poishtransdutoresmonitorandoe reajustandocontinuamenteaposiodaferramenta.Afigura14mostra esquematicamente um sistema de controle de malha fechada. Figura 14 Sistema de controle de malha fechada. Fonte: figura da apostila SILVEIRA [8]. Foi feita a opo pela utilizao do motor de passo, devido justamente preciso de seuposicionamento,quepropiciaautilizaodeumsistemadecontroledemalha 22 aberta.Sistemaesse,maissimplesemaisbaratoqueosistemademalhafechada,que deveramosutilizar,casooptssemosporumservomotor.Emummicrocomputador convencional, sero instaladas trs placas controladoras (driver controlador do motor de passo), compatveis com os motores selecionados, uma para comandar o funcionamento de cada um deles. As movimentaes horizontais da mesa no necessitam de um torque muito elevado, operandomanualmenteamquinapossvelmovimentarasmesasfacilmentesem grande esforo fsico, isto ocorre pois todo o peso das prprias mesas e o peso da pea a serusinadasodescarregadossobreasguiasrabodeandorinha.Havendouma lubrificao adequada entre as superfcies da guia, o atritodiminui e com isso o torque necessrio para mover a mesa tambm diminui. A figura 15 mostra um detalhe da mesa de coordenadas. Figura 15 Detalhe da mesa de coordenadas. Fonte: Imagem adaptada da Internet. Pormamovimentaovertical,atravsdofusoprincipal,requerumtorque bastanteelevado,tendoemvistaquetodoopesodocabeotedescarregadosobreo fusodadireoZ.ParaquenohajaumesforoexcessivosobreonovofusoZ,e tambm, para que no seja necessriaa utilizao de um motor de passo com o torque muitoelevado,deversercriadoumsistemadecontrapesos,paraminimizaroesforo necessrio para mover o cabeote. Para automatizar a mquina, porm manter a opo do acionamento manual dos trs fusos,seronecessriasalgumasalteraesadicionaisnoequipamentooriginal, 23 principalmentenosistemademovimentaonadireoX.Foifeitaestaopopor manter o acionamento manual para que a mquina seja ainda mais verstil. AprincipaldificuldadeparaseseguirestaopodeprojetonadireoXqueo fuso desta direo fica posicionado no interior da base,e no atravessa toda a extenso da mesma. Originalmente, uma das extremidades do fuso X atravessa a parte frontal da base,eumvolanteacopladoestaextremidade,enquantoaoutraextremidadefica livre,pormnointeriordabase,emumaregiodedifcilacesso,comomostradona figura 16. Acoplar o motor de passo da direo X nesta regio, no seria desejvel, pois dificultariabastanteamanutenodomesmo,jqueparaacessa-lo,serianecessrio desmontar ou iar toda a mquina. Figura 16 Detalhe da Base. AsoluoencontradaparaessaquestoqueonovofusodadireoXtenhaum comprimento maior que o fuso original, de forma que possa atravessar toda a extenso dabase.Destaforma,extremidadefrontaldonovofusoseracopladoovolante original, mantendo-se assim a opo do acionamento manual. J a outra extremidade do fuso dever atravessar a parte posterior da base, na qual dever ser aberto um furo para permitir a passagem do fuso. esta extremidade livre e acessvel do novo fuso X, ser acoplado o motor de passo da direo X. Um suporte para o motor dever ser fabricado, este ser fixado parte posterior da base.Almdisso,htambmanecessidadedefabricaodeumsuporteparaanova castanha X, este suporte dever fixar a castanha parte inferior da mesa X 24 NadireoZ,asoluomaissimples,ofusosersubstitudo,pormaponta inferiordonovofusoseracopladanosistemadeengrenagenscnicasjexistente, originaldamquina,mantendoassimapossibilidadedoacionamentomanualnesta direo. outraextremidade destefuso, que originalmenteera uma extremidade livre, seracopladoomotordepassodadireoZ.Paraestecasotambmsernecessriaa fabricaodeumsuporteparaomotor,queserfixadonapartesuperiordacoluna,e um suporte para a nova castanha Z, que ter como funo acoplar o cabeote castanha Z. A soluo na direo Y tambm bastante simples, uma das extremidades do novo fusodeverseracopladaaovolanteexistente,mantendoaopodoacionamento manual,naoutraextremidade,originalmenteacopladaaoutrovolante,deverser acoplado o motor de passo da direo Y. Haver tambm, como nos casos anteriores, a necessidadedefabricaodeduaspeas,umsuporteparaomotor,quedeverser fixadoemumadasextremidadesdamesaY,eumsuporteparaacastanhaY,que dever fixar a castanha Y ao centro da parte superior da mesa X. Afigura17ilustraemduasvista,demaneirageral,comoficaramquinaapsa execuodasadaptaesdescritasacima.Maisfrente,nestetrabalho,cadaumdos componentes alterado ou fabricado sero mostrados em detalhes. Figura 17 Vistas da MR-205 aps ser convertida em CNC. 25 4.3. Seleo dos Principais Componentes 4.3.1.Fusos de Esferas Recirculantes O fuso um elemento que transforma movimento de rotao em movimento linear outransformamovimentolinearemmovimentoderotao.Fusosdeesferas recirculantesexercemessafunocomaltssimaeficinciadevidoaobaixoatrito.Seu rendimento mecnico, segundo o catlogo da HIWIN [15], pode ser superior a noventa por cento, na figura 18 mostrado um grfico, no qual so comparados os rendimentos mecnicostpicosdefusosconvencionaiscomroscatrapezoidal,comosrendimentos mecnicostpicosdefusosdeesferasrecirculantes,paradeterminadosngulosde hlice. Figura 18 Rendimento mecnico de fusos trapezoidal e de esferas. Fonte: Catalogo ENGROJ [14]. Essaeficinciaelevadadiminuiotorquedeacionamentonecessrioparaum determinadoservio.SegundoENGROJ[14],otorquedeacionamento

podeser calculadopartirdacargadetrabalho,necessriaparamovimentaeslineares,do passodo fuso, e do rendimento mecnico do fuso, com a seguinte equao:

[]sendo:[],[] e[]. 26 Paraquepossamosselecionaradequadamenteosfusos,precisamosprimeiro entender e estudar o efeito de cada uma das operaes de usinagem nos componentes de umafresadora,eparaissodevemosdefiniroqueso,ecomosecalculaalguns parmetros de corte. Em operaes tanto de furao quanto de fresamento, h uma srie de movimentos relativos entre a ferramenta, ou melhor dizendo, entre a aresta cortante e a pea, porm nemtodosresultamdiretamentenaretiradadecavaco.Omovimentodiretamente responsvelpelasadadecavacoochamadomovimentoefetivodecorte,e resultante dos movimentos de avano e de corte, realizados simultaneamente. Fixando-seumpontoderefernciaemumadasarestasprincipaisdecorteda ferramentapodemosdefiniravelocidadedecorte

comoavelocidadeinstantnea deste ponto na direo e sentido do movimento de corte. J a velocidadede avano

pode ser definida como a velocidade instantnea da ferramenta na direo e sentido do movimentodeavano.Aresultantedasomavetorialdestasduasvelocidadesa velocidade efetiva de corte

, ou seja, a velocidade instantnea do ponto de referncia da aresta principal de corte, na direo instantnea do movimento efetivo de corte. partir do nmerode rotaes por unidade de tempo do motor, responsvel pelo movimento de rotao da ferramenta, e do dimetroda ferramenta, podemos calcular a velocidade de corte com a seguinte frmula:

[ ]sendo:[] e[]. O avano a grandeza de corte que indica o percurso de avano por revoluo da ferramenta,epodesercalculadopartirdavelocidadedeavanoedonmerode rotaes da ferramenta, segundo a seguinte frmula:

[ ]sendo:

[] e[]. O avano por dente, como o prprio nome j diz, a grandeza de corte que indica o percurso de avano por dente ou por aresta principal de corte da ferramenta. Nocasodeoperaesdefurao,sabemosquebrocaspossuemduasarestas principais de corte, logo, o avano por dente nestes tipos de operao igual a metade 27 do avano. J em operaes de fresamento, o avano por dente depende do numero de dentesda ferramenta em questo, e pode ser calculado da seguinte forma:

[ ]sendo:[] e[]. Osmaioresesforosquepoderoserexercidossobreosfusoshorizontaisso oriundos da foras de avano em cada uma das direes nas operaes de fresamento de topo,jnofusovertical,apsainstalaodosistemadecontrapesos,opesodo cabeote no ser mais descarregado sobre o fuso, assim sendo, o principal esforo que poder atuar sobre ele ser oriundo da fora de avano nas operaes de furao. Osprincipaismateriaisutilizadosrotineiramentenolaboratrioso:ao,alumnio, lato,ecobre.Dentreessesquatro,omaterialquerequermaioresforoparasua usinagem, o ao, por essa razo, iremos calcular as foras de avano na usinagem do ao SAE 1020. Paraoperaesdefresamento,podemosutilizaralgumastabelasediagramaspara determinaraproximadamenteamagnitudemximadaforadeavano.Segundo diagramasdeFERRARESI[1],paraaoSAE1020,avano[ ], profundidade de corte[], temos:

[] Em operaes de furao, a broca submetida principalmente duas foras, a fora decorte

eaforadeavano

.Aforadeavanoatuanadireoaxialdabroca, enquantoaforadecortenormalarestaprincipaldecorte.Aforadecorteatua distribudasimultaneamentesobreasduasarestasprincipaisdecorte,egeramomento toror

na broca. Existe uma srie de frmulas empricas para o clculo da foras de avano e do momento toror. Umadasfrmulasempricasparaoclculodomomentotororembrocas,foi proposto por Kronenberg, para furao em cheio. Segundo a equao de Kronenberg, o momento toror varia em funo do dimetroda broca, do avanoda ferramenta, e de trs coeficientes

,e , da seguinte forma:

[ ]sendo:[] e[]. 28 Os coeficientes da equao de Kronenberg dependem das caractersticas do material usinado.Existemtabelascomvaloresdeterminadosexperimentalmenteparaesses coeficientes para usinagem de uma srie de materiais. AnalogamenteformulapropostaporKronenbergparaoclculodomomento toror, H. Daar props uma formula para a o clculo da fora de avano em operaes de furao em cheio. Segundo a equao de H. Daar, a fora de avano varia em funo do dimetroda broca, do avano da ferramenta, e de trs coeficientes

,

e

, da seguinte forma:

[]sendo:[] e[]. Os coeficientes da equao de H. Daar,assim como os da equao de Kronenberg, tambmdependemdascaractersticasdomaterialusinado,epossvelencontrarem tabelasvaloresdetaiscoeficientesdeterminadosexperimentalmenteparausinagemde umasriedemateriais.SegundoH.Daar,parafuraoemcheiodeaoSAE1020, temos:

Considerando as condies de trabalho como as mais rigorosas possveis, teremos o dimetrodabrocacomosendoodimetromximorecomendadopelofabricanteda mquinaparaoperaesdefurao,eonmeroderotaesporunidadedetempodo motorresponsvelpelarotaodaferramentacomosendoovalormximoquea mquina alcana. Ou seja: [] [] Utilizando-seumavelocidadedeavanode1,5mm/s(ummilmetroemeiopor segundo), encontramos o seguinte valor para o avano:

[ ] 29 Com isso, temos:

[]

[] Tendo sido calculadas as magnitudes dos principais esforos atuantes sobre cada um dosfusos,utilizamosumfatordeseguranadeumavezemeiasobreosvalores calculados.Assim,selecionamosummesmomodelodefusoquepudesseatenders necessidadesdastrsdirees,equealiassemaiorcapacidadedecargadinmicae melhorpreciso,isto,maiordimetrocommenorpasso.Comisso,ascaractersticas dofusoselecionadoso:dimetroprimitivodevinteecincomilmetrosepassode cinco milmetros. AcastanhaselecionadafoidomodeloFSI,isto,umacastanhacomflange bifiletadoerecirculadordeesferasinterno.Levandoemcontaqueamquinapossui uma severa limitao de espao nos locais onde sero posicionadas as novas castanhas, dentreasopesencontradasvendaparaprontaentreganomercadobrasileiro,este modelo foi o de menor dimenso.As informaes completas sobre o fuso e a castanha selecionados, encontram-se noApndiceIICatlogodosFusos.Afigura19ilustraageometriadacastanhaque ser utilizada. 30 Figura 19 Castanha modelo FSI. Fonte: Catalogo ENGROJ [15]. Ento,apsteremsidodefinidastodasasespecificaesdosfusosedas castanhas que sero utilizados, foi possvel calcular o valor do torque de acionamento de cadaumdeles.Estimando,paraopiordoscasos,aeficinciadofusoemtornode noventaporcento,econsiderandoacargadetrabalho,necessriapara movimentaeslinearescomosendoigualaforadeavano

.Paraambososfusos horizontais temos:

, e para o fuso vertical temos:

. Onde ,

e

sorespectivamenteascargasdetrabalhoparamovimentaeslineares horizontal e vertical. Assim, o torque de acionamento de cada um dos fusos horizontais

e do fuso vertical

, so:

[ ]

[ ] 4.3.2.Motores de Passo O motor de passo um transdutor, que converte pulsos eltricos em movimento mecnicoderotao.Acadapulsodeexcitao,orotordomotordepasso rotacionadoemumpequenonguloincremental.Essengulopossuiumvalorfixoe muito preciso, e o chamado passo do motor. Esta caracterstica a principal vantagem dautilizaodemotoresdepasso,poispossibilitaumeficientecontrolede posicionamento podendo assim ser utilizado com sistema de controle de malha aberta. Podemosclassificarosmotoresdepassos,quantoasuaestrutura,emtrstipos: motores de relutncia varivel (VR Variable Reluctance); motores de m permanente (PMPermanentMagnet),emotoreshbridos(Hb-Hybrid).Afigura20ilustracada um destes motores. 31 a)b)c) Figura 20 Tipos de motores de passo. a) de relutncia varivel; b) de m permanente; c) hibrido. Fonte: Imagens adaptadas da Internet. Omotordepassoderelutnciavarivelnopossuimpermanente,eporessa razonosensvelpolaridadedacorrente.Sendoassim,seudrivercontrolador diferente dos drivers dos demais tipos de motores. pouco utilizado industrialmente. Omotordepassodeimpermanenteotipomaissimplesdemotorde passo. Comparado aos outros tipos de motor, seu passo grande, e ele opera com baixo torque eembaixavelocidade.Pormseucustobaixo,eporessemotivoummotor largamente utilizado em aplicaes no industriais. Omotordepassodotipohbrido,comooprprionomesugere,uma combinaodosdoistiposdemotoresanteriores.otipodemotordepassomais comumente utilizado em aplicaes industriais. Tendosidocalculadonoitemanteriorotorquenecessrioparamovimentar linearmente cada um dos fusos e executar operaes de usinagem, pudemos determinar o modelo do motor de passo mais adequado esses valores.Levandoemconsideraoqueovalormximocalculadoparatorquede acionamento de 6,6 N.m ( seis virgula seis Newtons metro), e analisando catlogos de alguns fabricantes de motores de passo, foram selecionados trs motores do tipo Nema 34comtorquemximode9N.m(noveNewtonsmetro),umparacadaeixo.Este modelodemotorfoiescolhidopoiseraomenorcapazdeatenderaotorquede acionamentonecessrioemcadaumdostrseixos.Acurvadetorqueporvelocidade deste modelo escolhido podem ser observadas no catlogo do fabricante, Apndice II.32 Asprincipaiscaractersticasdomodeloescolhidoso:ummotordepassodo tipohbridoeacadapassoseueixorotaciona-senumngulode1,8graus,comisso, totalizaduzentospassosporrotaodoeixo,seuholdingtorquede9N.m(nove Newtons metro), e possui um eixo de meia polegada de dimetro. A figura 21 ilustra o motor escolhido: Figura 21 Motor de Passo Nema 34. Fonte: Imagem adaptada da Internet. 4.3.3.Sistema de Controle Asplacascontroladorasdosmotores(ouDrivers)foramcompradasnomesmo fornecedor dos motores. Foram escolhidas placas fabricadas no Brasil, compatveis com osmotoresselecionadosetambmcomosoftwareMach3.Estesoftwareomesmo utilizado na micro fresadora. Como um dos objetivos deste trabalho fazer com que a MR-205,apsserconvertidaemCNC,tenhaaoperaosimilarmicrofresadora, extremamente desejvel que possa ser operada utilizando-se a mesma interface. Aempresaquenosforneceuosmotoreseosdriverscontroladoresjoferece comercialmentetodoosistemadecontroleparaconversesdemquinasferramentas manuais em mquinas CNCs. Este sistema vemmontado em um gabinete prprio para tais converses com 600 mm (seiscentos milmetros) de altura, por 500 mm (quinhentos milmetros) de largura, por 250 mm (duzentos e cinquenta milmetros) de profundidade, dotadodebotodeemergnciacomtrava.Afigura22umafotodointeriordo gabinete, e mostra todos os componentes do sistema de controle. 33 Figura 22 Sistema de Controle. seguirforamlistadososdetalhesdaespecificaodecadaumdos componentes do sistema de controle mostrado acima. TrsDriverscontroladoresmodeloDSMU080,comalimentaode40Vcc (quarenta Volts com corrente contnua) 80 Vcc (oitenta Volts com corrente contnua), cujo catlogo encontra-se no Apndice II; UmaplacaOptoisoladoramodeloLPTOP-05,comcincoentradasedoze sadas, e alimentao de 5 Vcc (cinco Volts com corrente contnua); Umafontelinearcomtensodeentradade220V(duzentosevinteVolts), tensodesadade67Vcc(sessentaeseteVoltscomcorrentecontnua),e corrente de sada de 15 A (quinze Ampres); Umafontecomentradabivolt,tensodesadade5Vcc(cincoVoltscom corrente contnua) e corrente de sada de 1 A ( um Ampre);UmaCPUindustrialcompostaporumaplacamemodeloGA-C847N-S2, comprocessadorCeleronDualCore,memriaRAMde4Gb(quatroGiga bytes),edispositivodearmazenamentoSSDSatade60Gb(sessentaGiga bytes), com os programas Windows 7 Profissional e Mach3 instalados. OprogramaMach3umprogramacomercial,amplamenteutilizadona industria nos mais diversos tipos de mquinas com controle numrico computadorizado.EstesoftwareleinterpretaumdeterminadoprogramageradoemG-code(linguagem especficademquinasCNCs,definidapelanormaISO6983)eemitesinaisparaos 34 drivers controladores, indicando deslocamento, direo e sentido.A figura 23 mostra a pgina principal de trabalho do programa Mach 3. Figura 23 Tela do programa Mach 3. OprogramaemG-codepodeserescritodiretamentenoMach3oupode-se utilizarumoutrosoftwarechamadoCAD/CAN,queleinterpretaumdesenhoCAD 3D, e gera um programa em G-code. Alguns tipos de CAD/CAN possuem ferramentas de desenho embutidas, de forma que o desenho em 3D da pea a ser produzida pode ser feito no prprio CAD/CAN, sem que seja necessria a utilizao de outro software para elaborao do desenho em CAD. 35 5.Execuo das Adaptaes Quandofoiiniciadaaexecuodasadaptaes,ficouclaroquealgumaspeas originaisdamquinadeveriamsofreradaptaesparaquepudessematendessems novas necessidades do equipamento. Os principais motivos para estas adaptaes foram as dimenses do flange bifiletado da castanha, que no eram compatveis com os espaos onde deveriam ser acoplados, e a questo da necessidade de se criar uma sequncia de desmontagem da mquina com a qual no fosse necessrio o desacoplamento dos fusos de suas respectivas castanhas. J que caso seja necessrio o desacoplamento destas peas, h uma sequncia complexa de operaesindicadaspelofabricante,quedevemserrealizadasparaqueposteriormente seja possvel executar o reacoplamento delas. Amaquinaoriginalmenteeradesmontadadesacoplandoprimeiroosmancaisda mesaY,eemseguidadesacoplandoofusodadireoYdesuacastanha.Apsesse procedimentoserrealizado,amesaYjestavasoltaeapenasapoiadasobresuaguia rabo de andorinha, e podia ento ser retirada puxando-a para um dos lados sobre a guia. AssimqueamesaYeraretirada,erapossvelentoretiraracastanhapertencenteao fuso desta direo, pois essa pea ficava exposta parafusada sobre a mesa X. Emseguida,podia-secontinuaradesmontagemdamquinarepetindo-se praticamenteosmesmosprocedimentosanterioresnamesaX.Primeiroomancalera desacopladodamesa,emseguidaofusoeradesacopladodacastanha,amesaficava apenasapoiadasobreaguia,pormdiferentedoprimeirocasoeranecessriosoltara castanhadofusodadireoXantesdepuxaramesasobreaguia,poisestacastanha fica parafusada na parte inferior da mesa X, no interior da base, e funcionava como um limitador de curso para esta direo. Comautilizaodofusodeesferasrecirculantes,estasequnciaparadesmontara mquinatevequeseralterada,poiseranecessrioretirarasmesasantesderetiraros fusos, que deveriam ser mantidos acoplados a suas respectivas castanhas. seguir, sero descritas em detalhes todasas alteraes que foram executadas nos componentesoriginaisdaMR-205,almdasgeometriasdoscomponentesque precisaramserfabricados,paraquefossepossvelconverterestamquinamanualem uma CNC. 36 5.1. Adaptaes na Direo X AmesainferiormovimentadaatravsdofusodadireoXpossuiapenasum mancal,localizadoemsuapartefrontal,aessemancalacopladaumvolantecom manivela,comoqualpossvelmovimentartodooconjuntodamesadecoordenadas na direo X. Como uma das definies de projeto foi automatizar a mquina, mantendo a opo do acionamento manual, o fuso foi substitudo por outro fuso comcomprimento maior que o original, de modo que o fuso atravesse toda a base da mquina. Onovofusodeesferasrecirculantestem730(setecentosetrintamilmetrosde comprimento),enquantoooriginaldamquinatem450(quatrocentosecinquenta milmetros). Esse aumento do comprimento foi necessrio para propiciar a instalao de um novo mancal na parte posterior da mquina, no qual o motor de passo foi fixado. Afigura24mostraumavistadamontagemdoconjuntoautomatizadode movimentao na direo X, aps a execuo de todos as modificaes listadas seguir. Foi feito o acoplamento direto do motor de passo ao fuso, atravs de uma cavidade usinadanapontadofuso,ondeoeixodomotorfoiintroduzido.Todososdetalhesda usinagemdapontadestefusopodemserobservadosnoApndiceIDesenho01. Figura 24 Vista isomtrica do conjunto automatizado de movimentao em X. 37 Optou-se por fazer a usinagem com o prprio fornecedor dos fusos, a figura 25 ilustra o novo fuso da direo X com as extremidades usinadas, montado com sua castanha. Figura 25 Vista isomtrica do conjunto fuso-castanha da direo X Naextremidadefrontaldofuso,foiacopladoomancaloriginaleomanpulo,sem que fossenecessria nenhuma alterao ou adaptao. Foi fabricado um novo suporte para a castanha do fuso de esferas recirculantes, cujo detalhe para sua fabricao est mostrado no Apndice I, Desenho 04. Esta nova pea o suporte da castanha X, que ilustrado pela figura 26, seguir. Figura 26 Vista isomtrica do suporte da castanha X. Afabricaodestapeafoifeitanafresadoraserconvertida.Foinecessrio desmontar a mquina, para seremtomadas as medidas de cada um dos componentes,e posteriormente elaborado um modelo computacional em 3D. A fresadora foi remontada aindasemnenhumamodificao,postoqueteriaqueserutilizadaparafabricaras prprias peas, necessrias para converso. Na parte posterior da base foi aberto um furo de 1 (uma polegada) de dimetro, por onde passar uma das extremidades do novo fuso. Por este motivo, este furo alinhado 38 com o furo frontal j existente. Na figura 27 possvel perceber que parte do furo passa pela base, e parte passa pela coluna. Figura 27 Vista isomtrica do conjunto base-coluna. Paratornarpossvelafixaodomotordepassoeseuacoplamentoaofusoda direoX,foifabricadoumsuporteposterior,cujasuperfciefrontalseajustasseda melhormaneirapossvelaocontornoirregulardaparteposteriordabaseedacoluna. Esta pea tambm foi fabricada na prpria fresadora MR-205 antes das alteraes para ela previstas serem executadas. A figura 28 ilustra sua geometria, e o desenho para sua fabricao encontra-se no Apndice I Desenho 07. Figura 28 Vista isomtrica do suporte posterior. 39 5.2. Adaptaes na Direo Y Amesasuperior,movimentadaatravsdofusodadireoY,originalmente possuadoismancais,ummancalderolamentoemumadesuasextremidades,eum mancaldedeslizamentonaextremidadeoposta,cadaumdessesmancaisacopladoa um manpulo. AnalogamentesoluodadaparaaautomaonadireoX,emumadas extremidades fuso foi mantido o acionamento manual por meio do manpulo, enquanto na extremidade oposta, o motor de foi acoplado diretamente ao fuso. Afigura29,doconjuntoparamovimentaonadireoY,ilustraamontagem final da mesa superior, com seus novos componentes. Umadasextremidadesdofusofoiusinadacomamesmageometriada extremidade do fuso original, e na outra extremidade , foi usinada uma cavidade na qual oeixodomotordepassofoiacopladodiretamente.Odesenhoparausinagemdas pontasdestefusoestnoApndiceIDesenho02,esteserviodeusinagemtambm foirealizadopelofornecedordofuso,afigura30ilustraofusoYmontadocomsua respectiva castanha, aps a execuo da usinagem de suas extremidades. Figura 29 Vista isomtrica do conjunto automatizado para movimentao em Y. Figura 30 Vista isomtrica do conjunto fuso-castanha da direo Y. 40 O movimento de translao da mesa superior em relao mesa inferior feito sobreguiasrabodeandorinha,poressarazonohapossibilidadedamesasuperior ser desacoplada da inferior verticalmente. Ao virar a mesa superior e posicionar o fuso dadireoYemseucanalcentral,ficouclaroquehaveriaumapequenaregiode interferncia entre o flange da castanha e a extremidade da mesa, o que impossibilitaria a montagem e a desmontagem da mesa sobre o novo fuso. Ento,parasolucionaresteproblema,umadasextremidadesdocanalfoi alargada, permitindo assim, que a mesa deslize sobre a castanha e seu flange. Podendo desta forma, ser acoplada ou desacoplada da mesa inferior, entretanto, somente por um de seus lados. No foi possvel manter os mancais originais. Devido s dimenses do flange da castanha, o novo fuso no pode ser mantido no mesmo alinhamento do original. Novos mancaistiveramqueserfabricadosdeformaacomportaronovofuso,emantera utilizao a furao existente na mesa para fixa-los. A usinagem dos novos mancais foi finalizadaseguindoosrespectivosdesenhosdefabricaodecadaumdeles,que encontram-seemanexo,noApndiceI,desenhos08e09.Afigura31mostraa geometria de cada um deles. a)b) Figura 31 Vista isomtrica dos mancais da direo Y. a) Mancal de deslizamento (esquerdo); b) Mancal de rolamento (direito). 41 OsuporteparaacastanhadoeixoY,foifabricadadamesmaformaqueo suporte para a castanha X, seguindo as especificaes do Desenho 05, anexado tambm no Apndice I. Sua geometria mostrada de forma ilustrativa na figura 32. O espao entre as mesas inferior e superior, onde deveria ser fixado o suporte da castanhaYeaprpriacastanhaY,tinhaumaseveralimitaodealtura,quenoera suficienteparaqueacastanhapudesseseracopladanestaregio.Pararesolveresta questo,foinecessrioexecutarumrasgonapartesuperiordamesaX,rebaixando assim a superfcie onde o suporte da castanha Y deveria ser fixado. 5.3. Adaptaes na Direo Z Paramovimentaesverticais,foidefinidoanteriormente,queapenasofuso principaldadireoZseriautilizado,deformaqueofusosecundriodestamesma direo deveria ser travado, mantendo assim, a extremidade do porta ferramentas o mais prximo possvel do cabeote, diminuindo vibraes durante operaes de usinagem. Como j havia sido observado, o fuso da direoZ movimenta todo o cabeote da mquina, por esta razo uma enorme fora atua sobre ele fazendo com que seu torque deacionamentosejamuitoelevado.Paraminimizaresteproblema,foiprojetadoum sistemadecontrapesos,paraanularopesodocabeote,reduzindoassimacargaaxial sobre o fuso. A figura 33 ilustra este sistema. Figura 32 Vista isomtrica do suporte da castanha Y. 42 Osistemadecontrapesoscompostoporduaspolias,nasquaissoapoiados cabos de ao. Ser utilizado um lao do tipo L com sapatilha, para evitar o desgaste no contado entre as extremidades dos cabos e os olhais, nos quais sero fixados. Detalhes e especificaes desta montagem encontram-se no ApndiceII Catlogodos Cabos de AoeAcessrios.Ocontrapesoterseumovimentoguiado,paraisto,seroutilizadas duas guias cilndricas, fixadas base. Acargatotalsuportadapeloscabosinferiora500Kgf(quinhentos quilogramasfora),ouseja,comoseroutilizadosdoiscabos,cadaumdelesdever sustentar uma carga inferior a 250Kgf (duzentos e cinquenta quilogramas fora). SeguindoparmetrosdedimensionamentosugeridosporBUDYNAS[4]epor FILHO[17],ocaboselecionadopossuialmadefibranaturaledaclasse6x37,esta escolhafoifeitaparagarantirumamaiorflexibilidadedocabo.Utilizandoum coeficientedeseguranaigualacinco,indicadoparaiamentos,odimetrodecada cabo dever ser de 3/16 in (trs dezesseis avos de polegada). Figura 33 Detalhe do sistema de contrapesos. 43 Paraestetipodecabo,harecomendaodequeodimetrosdapoliavarie entre dezoito e vinte e sete vezes o dimetro do cabo. Caso essa recomendao no seja seguida,humaperdaderesistncia,ento,paraevitaresteproblema,foiescolhida uma polia de 100 mm de dimetro (cem milmetros). Osolhaisforamespecificadosseguindorecomendaesdofabricante,cadaum deles dever sustentar uma carga inferior a 125 Kgf (cento e vinte e cinco quilogramas fora),portanto,foiescolhidoumparafusoolhalM-8deaogalvanizado,cujas especificaes podem ser vistas em seu catlogo, no Apndice II. Foramfabricadosquatrosuportesparaosolhaisdocabeote,paraqueestes possam ser acoplados ao colar do cabeote e ao peso na posio correta. O desenho para afabricaodestaspeaencontra-senoApndiceIDesenho11,emostradana figura 34 seguir. AssimcomonossistemasdemovimentaodasdireesXeY,descritos anteriormente,paraosistemademovimentaonadireoZ,tambmfoinecessriaa fabricaoumsuporteparaacastanhadofusodestadireo.Osdesenhospara fabricaodestapeasoapresentadosnoApndiceIDesenho06,eafigura35 ilustra sua geometria. Figura 34 Vista isomtrica do suporte dos olhais. 44 Alm disso, foi tambmfabricadoe um suporte superior para fixao domotor depassodadireoZ,cujodesenhotcnicoparasuafabricaoencontra-seno Apndice I Desenho 10. A figura 36 ilustra a geometria destas peas. 5.4. Adaptaes Adicinais Paradiminuirasvibraesduranteaoperaodamquina,quepodiam prejudicaraprecisodaspeasfabricadas,etambmparafacilitarseunivelamento, foraminstaladossobogabinetedetrabalhoquatropsamortecedoresdevibrao impacto, conhecidos popularmente pelo nome da marca que os fabrica, Vibra Stop. Foi utilizado Vibra Stop tradicional modelo MAC, cada um deles com capacidade de carga esttica de at 200 Kg (duzentos Kilogramas). Demais detalhes podem ser encontrados no Apndice II Catlogo dos Amortecedores. Devidoasgrandesdimensesdogabinetenoqualosistemadecontrolefoi montado pelo fornecedor, optamos por no utiliza-lo. Todos os componentes do sistema de controle, listados no captulo anterior, foramremovidos do gabinete no qual vieram instalados,pormforammantidosfixadosaplacaoriginal,dofundodestegabinete. Posteriormente,estaplacacontendotodoosistemadecontrole,foifixadosnointerior deoutrogabinete,ogabinetedetrabalho,localizadosobaMR-205.Parafacilitaro acessoataiscomponentes,nosparaainstalaocomotambmparafutura manutenodosmesmo,nestenovolocal,aportadogabinetedetrabalhofoi aumentada. Figura 35 Vista isomtrica do suporte da castanha Z. Figura 36 Vista isomtrica do suporte superior. 45 A figura 37 ilustra a geometria do gabinete de trabalho fixado sobre o conjunto de vibra stop, aps a execuo das adaptaes em sua porta. A interface entre o sistema de controle e o operador feita atravs do programa Mach3, utilizando-se uma tela touch screen de 16 (dezesseis polegadas). Esta opo foi feitaparaevitarautilizaodemouseeteclado,prximomquina.Poisestes componentes seriam danificados rapidamente em um ambiente com cavaco. Parafixaratelafresadora,foiutilizadoumbraoemL,presonalateralda coluna, como mostrado pela figura 38, seguir. Figura 37 Vista isomtrica do gabinete de trabalho sob a MR-205. Figura 38 Vista isomtrica da tela touch screen fixada na coluna. 46 6.Utilizao da mquina convertida OexemplodeutilizaodefresadoraconvertidanoLab.MEMS,serna fabricaodetrezentosmicrotrocadoresdecalorparaarefrigeraodeclulas fotovoltaicas com alta concentrao (HCPV). Comomostradoanteriormentenestetrabalho,GUERRIERI[6]projetoue fabricouumprottipodemicrotrocadordecalorparatalaplicao,porm,apsa realizaodetestescomoprottipo,ficouclaroserianecessriaaexecuodemais alguns ajustes na geometria do microtrocador. UmdosprincipaisproblemasdetectadosporGUERRIERI[6]durantesua pesquisa, foi que quando a temperatura do microtrocador de calor aumentava, os pinos proeminentesparaentradaesadadelquidoaqueciamostubosdealimentaoe escoamento de fluido. Isto causava a dilatao dos tubos, como estes eram acoplados parte externa dos pinos, a vedao nestes pontos de conexo era prejudicada. Almdisso,afabricaodetaispinosdemandavaumtempoelevadoeainda, fazia com que houvesse o desperdcio de muito material. Asoluoencontradaparaestaquestofoieliminarospinosproeminentes.No lugardelesforamfeitofurospassantesdedoismilmetrosdedimetro,comrosca mtricaM2.Acadaumdessesfurosdeverseracopladaumaconexoparaengate rpido.Destaforma,ostubospassaroaserencaixadosnasuperfcieinternado acoplamento, e ao contrrio do que ocorria com a utilizao da soluo de acoplamento anterior,aohaverdilataodostubosdevidoaumentodatemperatura,nohaver prejuzosnavedao.Asfiguras39ae39bmostramcommaiorclarezaestanova configurao. 47 O tempo total necessrio para se fabricar apenas uma unidade do microtrocador decalorpropostoinicialmenteporGUERRIERI[6],partindodeummaterialbrutoe utilizandoapenasamicrofresadoraeradeaproximadamenteoitohorasdetrabalho. Sendo que a maior parte deste tempo gasta apenas preparando as superfcies, fazendo-sefaceamentosparagarantirquecadaumadasfacesestejaplana,equehaja paralelismo e perpendicularidade entre elas. Comaimplementaodocomandonumriconamacrofresadoraecoma melhora de sua preciso, ser possvel utiliza-la para executar toda a pr-fabricao dos microtrocadoresdecalor,formandocomobaseplacascomdiversaspr-formasdas pastilhas.Estasplacasterofacesplanasecomdevidoparalelismoe perpendicularidade,eseroproduzidasemumtempocurtoeutilizandoferramentas mais baratas e fceis de serem compradas e repostas. Aps a fabricao das placas, pr-formas das pastilhas, na macro fresadora, cada uma delas ser levada micro fresadora, onde os micro canais sero usinados de uma s vezemtodasaspastilhasdaplaca.Comissoautilizaodamicrofresadoraser otimizada, pois ela realizar apenas a fabricao em micro escala,e alm disso, far de uma s vez os micro canais de vrias pastilhas de uma s vez. a)b) Figura 39 Geometria final do microtrocador de calor. a) Vista explodida; b) Foto do prottipo. 48 Paraviabilizarafabricaoemsriedosmicrotrocadoresdecalor, primeiramente,deverserfabricadoumgabarito,paraqueaspeasbrutassejam rapidamente fixadas mesa da macro fresadora. Este gabarito uma pea com um rasgo com a espessura da chapa bruta a ser usinada, e com um rebaixo com a largura da chapa apsosfaceamentoslaterais,comomostradonafigura40.Comessesgabaritos,ser feita a preparao de vrias pastilhas ao mesmo tempo. Figura 40 Vista isomtrica do gabarito para fixao da placa. Considerando para a fabricao das placas, a utilizao de barras chatas de cobre eletrolticocomespessurade1/8in(umoitavodepolegada),por27mm(vinteesete milmetros) de largura, por 230 mm (duzentos e trinta milmetros) de comprimento. De forma que, em cada uma das barras sejam fabricadas dez pastilhas. Assuperfcieslateraisdabarrapodemserfaceadasutilizando-seumafresade topo de 4 mm (quatro milmetros) de dimetro. Como o dimetro da ferramenta maior queaespessuradapea,ofaceamentodecadalateralpodeserfeitocomapenasum passe,oucasohajagrandesirregularidadesaseremremovidasnestasuperfcies,pode serfeitoumprimeiropassededesbaste,eumsegundopassedeacabamento.Afigura 41mostraafixaodaplacaaogabaritoparaquesejafeitoofaceamentodeumdos lado da pea, aps este ter sido executado, a pea deve ser refixada ao gabarito, com a superfcie faceada voltada para baixo, de forma que a superfcie oposta a ela possa ento ser faceada. 49 Figura 41 Fixao para faceamentos laterais. As superfcies superior e inferior da barra podem ser usinadas da mesmaforma descritaacima,pormutilizando-seumafresadetopode28mm(vinteeoito milmetros) de dimetro, e fixando-se a barra ao gabarito como mostrado na figura 42 Figura 42 Fixao para faceamentos superior e inferior. Mantendo-se a pea fixada sobre o gabarito, e substituindo-se a fresa de topo por umabrocade1,6mm,podemserexecutadososfurosdasextremidadesdaspastilhas. Como mostrado pela figura 43. Figura 43 Fixao para faceamentos superior e inferior. E por fim, utilizando-se uma fresa de 2 mm (dois milmetros) de dimetro, pode ser feito atravs de um fresamento de topo um rebaixo para facilitar a futura separao 50 das pastilhas. A figura 44 ilustra este ltimo pao para a fabricao da placa base de dez pastilhas pr-forma de microtrocadores de calor. Figura 44 Esquema para fabricao de pr-forma de dez pastilhas Na figura 45 possvel observar a placa, pr-forma de dez pastilhas, que poder posteriormente ser usinada na micro fresadora fixando-a mesa utilizando-se o mesmo gabarito mostrado anteriormente, utilizado para fixa-la na macro fresadora. Figura 45 Placa pr-forma de dez pastilhas Afabricaodatampapodesertotalmenteexecutadanamacrofresadora, seguindo-se praticamente a mesma sequncia de operaes descritas anteriormente para afabricaodabase,pormexecutandotambmosfurosdeentradaesadadefluido refrigerante. 51 7.Concluso Aps serem feitas todas as adaptaes especificadas anteriormente na Furadeira FresadoraMR-205,oequipamentopassaraterumaprecisosuperiororiginal.As folgasqueanteseramdeat1,85mm,nonovosistema,comautilizaodefusosde esfera recirculantes montados com pr-carga, sero iguais a zero. Almdisso,opassodomotorumnguloincrementalde1,8graus,repetido precisamente a cada pulso eltrico, em geral o erro destas rotaes no acumulativo, e de menos de 5% (cinco por cento) do passo. O motor diretamente acoplado ponta dofuso,estetipodeacoplamentotambmgarantemaiorprecisonatransmissodo torque. Considerando que o passo do fuso igual a 5 mm (cinco milmetros), cada passo domotortercomoresultadoumdeslocamentolineardeprecisamente25m(vinte e cincomicrometros).Originalmente,omenorvalornaescalautilizadaparamediros deslocamentos lineares era o dobro deste.O curso til da mesa foi aumentado na direo X em 100 mm (cem milmetros), passandoaseriguala275mm(duzentosesetentaecincomilmetros).Nasoutras direes, foram mantidos os cursos originais, sendo de 500 mm (quinhentos milmetros) na direo Y, e de 475 (quatrocentos e setenta e cinco milmetros) na direo Z.Ainterfaceentreafresadoraadaptadaeooperadorfeitaatravsdeumatela touchscreende16(dezesseispolegadas),utilizando-separaoprogramaMach3, instaladonosistemadecontrole.Amicrofresadoratambmutilizaestemesmo programa. Enfim,todasascaractersticascitadasdemonstramqueamquinaadaptada, alm de mais precisa que a original, tambm bastante parecida com a micro fresadora existente no Lab. MEMS, atendendo desta forma aos principais objetivos deste trabalho, etornandovivelafabricaoemsriedemicrotrocadoresdecalorparaclulas fotovoltaicas de alta concentrao, que motivou todo este estudo. Afigura46,umaampliaodeumadasfigurasmostradanocapitulo4,ilustra novamenteamontagemfinaldafuradeirafresadoraMR-205apssuaconversoem fresadora com controle numrico computadorizado. 52 Figura 46 Ampliao da vistas da MR-205 converso em CNC. 53 8.Bibliografia [1] FERRARESI, DINO, fundamentos da Usinagem dos Metais. 14 reimpresso. Ed.: Edgard Blcher Ltda, 2011. [2] DINIZ, ANSELMO E., MARCONDES, FRANCISCO C., COPPINI, NIVALDO L., Tecnologia da Usinagem dos Materiais. 7 ed. So Paulo: Artliber, 2010. [3] SILVEIRA, JOS LUIS L., Notas de Aulas de Usinagem, Departamento de Engenharia Mecnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro. [4] BUDYNAS, RICHARD G., NISBETT, J. KEITH, Elementos de Mquinas de Shigley. 8 ed. Porto Alegre: AMGH, 2011 [5] NIEMANN, GUSTAV, Elementos de Mquina. Vol. 1, 13 reimpresso. 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I Apndice I Desenhos tcnicos Lista de desenhos: Desenho 01: Fuso X Desenho 02: Fuso Y Desenho 03: Fuso Z Desenho 04: Suporte da Castanha X Desenho 05: Suporte da Castanha Y Desenho 06: Suporte da Castanha Z Desenho 07: Suporte Posterior Desenho 08: Mancal Direito Desenho 09: Mancal Esquerdo Desenho 10: Suporte Superior Desenho 11: Suporte do Olhal II Desenho 01: Fuso X III Desenho 02: Fuso Y IV Desenho 03: Fuso Z V Desenho 04: Suporte da Castanha X VI Desenho 05: Suporte da Castanha Y VII Desenho 06: Suporte da Castanha Z VIII Desenho 07: Suporte Posterior IX Desenho 08: Mancal Direito X Desenho 09: Mancal Esquerdo XI Desenho 10: Suporte Superior XII Desenho 11: Suporte do Olhal XIII Apndice II Catlogos Catalogo da Furadeira Fresadora MR-205: XIV Catalogo dos Fusos: XV XVI Catalogo dos Motores de Passo: XVII Catalogo dos Drivers dos motores: XVIII Catalogo dos Amortecedores: XIX Catalogo dos Cabos de Ao e Acessrios: XX XXI