Desenvolvimento de um Protótipo Didático de uma Máquina de...

Joel Henrique Gomes Antunes

Desenvolvimento de um Protótipo Didáticode uma Máquina de Corte de Pedra porFio Diamantado

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Universidade do MinhoEscola de Engenharia

novembro de 2015

Dissertação de MestradoMestrado em Engenharia Mecânica

Trabalho efectuado sob a orientação deProfessor Doutor António Alberto Caetano MonteiroProfessor Doutor João Pedro Mendonça Assunção Silva

Joel Henrique Gomes Antunes

Desenvolvimento de um Protótipo Didáticode uma Máquina de Corte de Pedra porFio Diamantado

Universidade do MinhoEscola de Engenharia

iii

AGRADECIMENTOS

Gostaria de expressar a minha gratidão a todos os que prestaram o seu apoio durante o desenvolvimento

deste projeto.

Em particular gostaria de agradecer ao Professor António A. Caetano Monteiro pelo seu apoio incansável,

pela sua disponibilidade, pelos seus conselhos, sugestões e dicas e pelo apoio moral quando foi mais

necessário. Gostaria de agradecer também ao Carlos Monteiro pela partilha das suas experiências nesta

área da indústria, pela partilha de informações sobre esta tecnologia, pelas suas dicas e a sua

disponibilidade. Ao técnico das OFA do DEM Vítor Neto pelo seu auxílio no fabrico de alguns dos

componentes integrantes do protótipo, pela partilha da sua vasta experiência e conhecimento nas

tecnologias da manufatura e pelas suas sugestões. Ao colega e amigo Lucas Feliciano do Instituto Federal

de Santa Catarina pelo seu apoio, sugestões e partilha dos seus conhecimentos. E ao Professor João P.

M. A. Silva pelos seus conhecimentos e contactos na Indústria.

Gostaria em último lugar de agradecer ao meu Irmão, aos meus Pais e à minha Namorada pela paciência,

entusiasmo e apoio moral ao longo de todo este percurso.

A todos, o meu mais sincero Obrigado.

v

RESUMO

A seguir à Itália, Portugal é o maior exportador de pedra per capita do mundo. No primeiro trimestre de

2012 houve um aumento de 28%, o maior dos 5 anos anteriores. Apesar da contração do mercado

Europeu, nesse período exportaram-se mais de M€86.8 comparando com M€68 em 2011. Em 2013 e

2014 as exportações continuaram a crescer consideravelmente. O crescimento foi notável nos 30

principais países importadores de pedra natural Portuguesa, à exceção de apenas 4. Qualidade, beleza

e reputação são atributos chave dos produtos de pedra Portuguesa, procurada mundialmente pelas suas

propriedades naturais, estéticas e estruturais. Recentes desenvolvimentos tecnológicos no tratamento da

pedra desde a pedreira até ao acabamento exigem grandes investimentos em novos equipamentos e

pesquisa. Existe uma clara necessidade de caraterizar melhor os novos processos de corte,

particularmente por fio diamantado. Este método permite uma grande variedade de operações de corte,

versatilidade, maior taxa de corte e uma redução média da largura de corte reduzindo desperdícios de

matéria prima, curso de trabalho regular e um ótimo acabamento. O processo funciona por abrasão

entre a pedra e um cabo de aço com pérolas diamantadas montadas, acionado por um sistema de polias.

A abordagem tem sido empírica, justificando um estudo sistemático de parâmetros chave, não só para

melhorar as condições de trabalho, mas também para desenvolver equipamentos mais eficazes, robustos

e económicos. No presente trabalho é descrito um protótipo de uma máquina de corte de pedra por fio

diamantado em desenvolvimento na UMinho. Será uma máquina laboratorial CNC para testar parâmetros

de corte e otimizá-los de modo a reduzir desperdícios de matéria prima, melhorar a produtividade,

eficiência energética e robustez de equipamentos e desenvolver novas ferramentas. Visto que a maioria

dos equipamentos usados em Portugal são parcial ou totalmente importados, há um enorme potencial

no desenvolvimento de maquinaria nacional. Além disso, aumentando a qualidade dos equipamentos e

produtos de pedra nacional incrementa-se a manufatura e aumenta-se a exportação, reduz-se a

dependência nacional e melhora-se a competência e competitividade da mão de obra. Esta área é

inclusive do interesse do Brasil, um dos maiores destinos de máquinas Portuguesas devido à expansão

da sua indústria extrativa e devido à apreciação do produto final alcançável pelo desenvolvimento

tecnológico de equipamentos para corte de pedra.

PALAVRAS CHAVE: CORTE DE PEDRA, FIO DIAMANTADO, CNC, MÁQUINAS DE TESTE.

vii

ABSTRACT

Portugal is, after Italy, the largest stone exporter per capita in the world. In the first quarter of 2012 there

was an increase of 28%, the largest of the previous 5 years. In that period, in spite of European market

contraction, this industry exported more than €86.8 million comparing to the €68 million in 2011. In

2013 and 2014 the exports continued to grow at a notable pace. Of the main Portuguese natural stone

importing countries, it should be noticed that among the top 30 only 4 had no growth, and the others

showed significant growth. Quality, beauty and reputation are the key attributes of Portuguese stone

products, which have high interest worldwide due to their natural properties, aesthetic and structural

behavior. Recent technological developments in stone treatment from the quarry to final finish, require

high investments in new equipment and more research. There is a clear need to better characterize the

new cutting processes, in particular diamond wire cutting technique. It allows a wide variety of cutting

operations, versatility, higher cutting speed, and an average reduction of cut thickness resulting in lower

raw material waste, very regular cutting stroke and a great surface finish. Diamond wire cutting is achieved

by abrasion between stone and tool, a steel cable with diamond beads mounted, which is drawn by a

system of pulleys. The approach has been empirical, justifying a systematic study of key parameters, not

only to improve the operating conditions, but also to develop more effective, robust and economical

equipment. In this paper a diamond wire stone cutting machine prototype under development at UMinho

in Portugal is described. A numerical controlled cutting lab machine is being built to test the process

parameters in order to ultimately conduct controlled studies to optimize cutting parameters to reduce raw

materials waste, streamlining the process increasing productivity, improve energy efficiency, equipment

robustness and development of innovative tools. Since most of the equipment used in Portugal is totally

or partially imported, there is a huge potential for national machine development. Also, by increasing the

quality of final equipment and products of the national stone industry, manufacture and exportation will

improve, reducing the national dependence and increasing the labor’s skill and competitiveness. This

area is also of particular interest in the case of Brazil, due to its expanding extractive industry, being one

of the major current destinations of Portuguese made machinery and because of the appreciation of the

finished product reachable by technological development of the equipment used in stone cutting.

KEYWORDS: STONE CUTTING, DIAMOND WIRE, CNC, TESTING MACHINES.

ix

ÍNDICE

Agradecimentos .................................................................................................................................. iii

Resumo............................................................................................................................................... v

Abstract............................................................................................................................................. vii

Índice ................................................................................................................................................. ix

Lista de Figuras ................................................................................................................................ xiii

Lista de Tabelas ............................................................................................................................... xvii

Lista de Abreviaturas, Siglas e Acrónimos .......................................................................................... xix

1. Introdução .................................................................................................................................. 1

2. Contextualização Histórica .......................................................................................................... 3

3. Estado da Arte ............................................................................................................................ 5

3.1 Enquadramento do fio diamantado no corte de pedra .......................................................... 5

3.2 Fio diamantado ................................................................................................................... 6

3.2.1 Pérolas diamantadas ................................................................................................... 7

3.2.1.1 Pérolas eletrodepositadas ............................................................................................ 8

3.2.1.3 Comparação entre pérolas eletrodepositadas e sinterizadas. ........................................ 9

3.2.2 Tipos de fios diamantados ......................................................................................... 10

3.2.2.1 Fios com molas ......................................................................................................... 10

3.2.2.2 Fios com plástico ....................................................................................................... 10

3.2.2.3 Fios com borracha (vulcanizados) .............................................................................. 11

3.2.2.4 Outros tipos de fios e aplicações ................................................................................ 12

3.3 Máquinas de corte por fio diamantado ............................................................................... 13

3.3.1 Máquinas para extração de rocha .............................................................................. 14

3.3.2 Máquinas para transformação de rocha ..................................................................... 16

3.3.3 Preparação e manutenção do fio diamantado ............................................................. 17

3.4 Danos frequentes no fio diamantado. ................................................................................. 20

3.5 Outras aplicações do fio diamantado ................................................................................. 23

4. Estudos do corte de pedra por fio diamantado ........................................................................... 25

x

4.1 Área de corte .................................................................................................................... 25

4.2 Desgaste das pérolas diamantadas, velocidade periférica e forças no corte. ....................... 25

4.3 Vibrações e ângulos de ataque do fio diamantado na pedra ............................................... 29

4.4 Outros estudos e conceitos ................................................................................................ 30

5. Desenvolvimento do protótipo ................................................................................................... 33

5.1 Requisitos do protótipo ...................................................................................................... 35

5.2 Modelação ........................................................................................................................ 36

5.3 Construção ....................................................................................................................... 36

5.3.1 Estrutura ................................................................................................................... 36

5.3.2 Eixos ......................................................................................................................... 38

5.3.3 Polias guia ................................................................................................................. 40

5.3.4 Tensionador do fio ..................................................................................................... 40

5.3.5 Acionamento do fio .................................................................................................... 42

5.3.6 Fio de corte ............................................................................................................... 47

5.3.7 Componentes a fabricar ............................................................................................. 49

6. Fases de testes ......................................................................................................................... 55

6.1 Testes de funcionamento .................................................................................................. 55

6.2 Testes de corte de pedra ................................................................................................... 68

7. Propostas de trabalhos futuros .................................................................................................. 71

8. Conclusão ................................................................................................................................ 73

Referências bibliográficas ................................................................................................................. 75

Anexo I – Roscas Métricas ISO 724: 1993 ........................................................................................ 81

Anexo II – Extratos da tabela de seleção de rolamentos FAG .............................................................. 82

Anexo III – Escala Granulométrica (mesh) ISO 3310-1:2000 ............................................................. 84

Anexo IV – Tipos de fio diamantado da Diaquip Diamond .................................................................. 85

Anexo V – Número de voltas de torção a dar no fio diamantado, dependendo do seu comprimento e do

número de uniões. ........................................................................................................................... 86

Anexo VI – Polia-Rolamento 30.08.000/ZGR/9-5 PR ......................................................................... 87

Anexo VII – Extrato da tabela de seleção de rolamentos fixos de esferas FAG Geração C .................... 88

Anexo VIII –Extrato da tabela de seleção de polias SPZ da Optibelt .................................................... 89

xi

Anexo IX – Especificações técnicas atuais do protótipo ...................................................................... 90

Anexo X – Especificações técnicas planeadas para o protótipo .......................................................... 91

Anexo XI – Extrato do Catálogo de Dimensionamento de Polias da Nycast ......................................... 92

Anexo XII – Esboços para o fabrico de componentes ......................................................................... 96

Anexo XIII – Modelação do protótipo ............................................................................................... 108

Anexo XIV – Modelação de apoio à construção do protótipo ............................................................. 109

Anexo XV – Fotografia do protótipo (no estado atual) ....................................................................... 110

Anexo XVI – Artigo enviado e aceite pelo COBEM2015 .................................................................... 111

xiii

LISTA DE FIGURAS

Figura 3.1 – Tipos de fio diamantado da KEEN TOOL. De cima para baixo: Fios com borracha, mola e

plastificados ....................................................................................................................................... 6

Figura 3.2 – Detalhe do formato da pérola diamantada. ...................................................................... 7

Figura 3.3 – Pérola Eletrodepositada. ................................................................................................. 8

Figura 3.4 – Pérola Sinterizada. .......................................................................................................... 9

Figura 3.5 – Comparação do desgaste entre pérolas diamantadas sinterizadas e eletrodepositadas. .... 9

Figura 3.6 – Fio diamantado com molas e anéis de fixação. .............................................................. 10

Figura 3.7 – Fio diamantado plastificado. .......................................................................................... 11

Figura 3.8 – Fio diamantado vulcanizado. ......................................................................................... 11

Figura 3.9 – Molde de injeção do revestimento no fio diamantado. .................................................... 12

Figura 3.10 – Fio diamantado com pérolas eletrodepositadas cónicas. .............................................. 12

Figura 3.11 – Fio diamantado com revestimento de plástico+mola. ................................................... 13

Figura 3.12 – Fio diamantado em forma de bala. .............................................................................. 13

Figura 3.13 – Máquina de corte de pedra por monofio diamantado vertical móvel SHUINAN. ............ 14

Figura 3.14 – Representação esquemática da realização de furos para passagem do fio diamantado. 14

Figura 3.15 – Representação esquemática de corte horizontal e vertical por fio diamantado. ............. 15

Figura 3.16 – Corte vertical em “L”. ................................................................................................. 15

Figura 3.17 – Corte horizontal em “L”. ............................................................................................. 15

Figura 3.18 – Corte cego. ................................................................................................................. 16

Figura 3.19 – Máquina multifio Paragon 1600 da Breton. ................................................................. 16

Figura 3.20 – Máquina monofio estacionária Bidese Impianti da Breton. ........................................... 16

Figura 3.21 – Máquina de monofio de 4 eixos Poker 4 axes da Breton. ............................................. 17

Figura 3.22 – Escadaria helicoidal em pedra obtida pela Poker 4 axes da Breton. ............................. 17

Figura 3.23 – Torção do fio diamantado. .......................................................................................... 18

Figura 3.24 – Comparação da durabilidade entre fios diamantados com diferentes preparações das

pontas para união............................................................................................................................. 18

Figura 3.25 – União das pontas do fio. ............................................................................................. 19

Figura 3.26 – Tipos de união para fio diamantado. ........................................................................... 19

xiv

Figura 3.27 – Prensa (esquerda) e alicate (direita) de emendar fio diamantado. ................................ 19

Figura 3.28 – Pormenor de corte no canto da pedra para redução de risco de entalamento do fio. .... 20

Figura 3.29 – Vista esquemática de fio diamantado com pérolas conifcadas. .................................... 20

Figura 3.30 – Vista microscópica de pérola diamantada que apresenta efeito cometa........................ 21

Figura 3.31 – Fio diamantado com borracha danificada. ................................................................... 21

Figura 3.32 – Fio diamantado com pérolas fraturadas....................................................................... 21

Figura 3.33 – Fio diamantado ovalizado. ........................................................................................... 22

Figura 3.34 – Vista microscópica de pérola diamantada ovalizada. .................................................... 22

Figura 3.35 – Fios diamantados com pérolas agrupadas. .................................................................. 22

Figura 3.36 – Rompimento do cabo de aço....................................................................................... 22

Figura 3.37 – Quebra da união. ........................................................................................................ 22

Figura 3.38 – Máquina de corte por fio diamantado da “Huada” na manutenção de uma ponte. ....... 23

Figura 3.39 – Demolição de torre de arrefecimento de central nuclear. ............................................. 23

Figura 3.40 – Navio descomissionado cortado por máquina de fio diamantado da “Scanmet”. .......... 24

Figura 3.41 – Máquina de corte por fio diamantado subaquática Stihl 5000. ..................................... 24

Figura 4.1 – Forças aplicadas numa pérola diamantada durante o corte de pedra. ............................ 27

Figura 4.2 – Pressão exercida nas pérolas diamantadas ao longo da zona de contacto com a pedra. . 28

Figura 4.3 – Representação esquemática de operação de corte de pedra em que a roda motora circula

o fio diamantado no sentido de aproximação da zona de corte. ......................................................... 28

Figura 4.4 – Representação esquemática de operação de corte de pedra em que a roda motora circula

o fio diamantado no sentido de afastamento da zona de corte. .......................................................... 28

Figura 4.5 – Direções de medição de vibrações. ............................................................................... 29

Figura 4.6 – Ângulos de ataque do fio diamantado no bloco rochoso. ................................................ 30

Figura 4.7 – Refrigerante Procut da Process Research Products a ser aplicado em fio diamantado. .. 32

Figura 4.8 –.Vista microscópica de fio de corte com diamantes impregnados. ................................... 32

Figura 5.1 – Diagrama de metodologia de projeto. ............................................................................ 33

Figura 5.2 – Representação esquemática do protótipo. ..................................................................... 34

Figura 5.3 – Modelação do protótipo em Solidworks. ........................................................................ 36

Figura 5.4 – Perfil de alumínio 50x50 da MayTec.............................................................................. 37

Figura 5.5 – Pormenor de fixação das barras. ................................................................................... 37

Figura 5.6 – Elementos de fixação (esquerda) e respetiva configuração de montagem (direita). ......... 37

xv

Figura 5.7 – Guia de estirador. ......................................................................................................... 37

Figura 5.8– Carro da guia do estirador. ............................................................................................. 37

Figura 5.9 – Barra de aço de 20 mm de largura. .............................................................................. 37

Figura 5.10 – Elementos de fixação concluídos. ................................................................................ 37

Figura 5.11 – Elemento de fixação no perfil. ..................................................................................... 38

Figura 5.12 – Pórtico com guias e carros. ......................................................................................... 38

Figura 5.13 – Sistema de movimento linear de fuso de esferas com bucha de flange redondo montado

no protótipo. ..................................................................................................................................... 38

Figura 5.14 – Torneamento e roscagem da ponta do varão roscado M12. ......................................... 39

Figura 5.15 – Pormenor de inserção de porca de aperto nos rolamentos. ......................................... 39

Figura 5.16 – Fresagem dos blocos de acrílico. ................................................................................ 39

Figura 5.17 – Bucha do sistema de movimento linear vertical em acrílico.......................................... 39

Figura 5.18 – Sistema de movimento linear montado na estrutura do protótipo. ................................ 40

Figura 5.19 – Polias improvisadas. ................................................................................................... 40

Figura 5.20– Polias adquiridas. ........................................................................................................ 40

Figura 5.21 – Sistema de armazenamento do fio diamantado no equipamento CSA-1001 da Cedima.

........................................................................................................................................................ 41

Figura 5.22 – Carro do tensionador montado. ................................................................................... 41

Figura 5.23 – Tensionador montado. ................................................................................................ 41

Figura 5.24 – Tensionador reforçado. ............................................................................................... 42

Figura 5.25 – Trem de engrenagens do motor elétrico. ..................................................................... 42

Figura 5.26 – Roda motora de ferro fundido. .................................................................................... 44

Figura 5.27 – Polia SPZ de diâmetro externo 56 mm com uma garganta única da Optibelt. ............... 45

Figura 5.28 – Correia SPZ de 612 mm de comprimento da Optibelt. ................................................. 45

Figura 5.29 – Chumaceira da roda motora com rolamentos montados. ............................................. 46

Figura 5.30 – Tampas da chumaceira do veio da roda motora. ......................................................... 46

Figura 5.31 – Veio da roda motora. .................................................................................................. 46

Figura 5.32 – Freio do veio da roda motora. ..................................................................................... 46

Figura 5.33 – Veio e roda motora montados. .................................................................................... 47

Figura 5.35 – Fio de aço inoxidável 1x19 helicoidal. .......................................................................... 47

Figura 5.36 – Mangas de compressão de alumínio para cabo de aço. ............................................... 48

xvi

Figura 5.37 – Ferramenta de compressão para acravamento de mangas de compressão. ................. 48

Figura 5.39 – Pontas do fio de aço unidas por mangas de compressão. ............................................ 48

Figura 5.40 – Nó Albright melhorado. ............................................................................................... 49

Figura 5.41 – Pontas do cabo de aço unidas por dois nós Albright. ................................................... 49

Figura 5.42 – Pormenor da flexibilidade da união em ângulo de abraçamento acentuado. ................. 49

Figura 5.43 – Bloco de granito de base quadrada inscrito na mesa (modelação em Solid Works). ...... 49

Figura 5.44 Grampo de fixação roscado de ferro fundido. .................................................................. 50

Figura 5.45 – Exemplo de fixação de rocha por grampos. ................................................................. 50

Figura 5.46 – Suporte de Fresadora CNC da Tormach. ..................................................................... 51

Figura 5.47 – Correia de transmissão incorretamente tensionada. .................................................... 51

Figura 5.48 – Polia tensionadora da correia de transmissão no motor de um automóvel. ................... 51

Figura 5.49 – Sistema de refrigeração em máquina de corte de pedra por fio diamantado. ................ 53

Figura 5.50 – Fole de proteção hermética. ........................................................................................ 53

Figura 6.1 – Zona ruturada da câmara de ar. .................................................................................... 56

Figura 6.2 – Fio danificado na zona da união. ................................................................................... 56

Figura 6.3 – Polia guia lascada. ........................................................................................................ 57

Figura 6.4 – Zona de rutura do fio. ................................................................................................... 57

Figura 6.5 – Chumaceira inferior do veio motor fabricada. ................................................................ 58

Figura 6.6 – Placa de borracha para montar entre o motor e a estrutura da máquina. ....................... 58

Figura 6.7 – Placa de borracha montada. ......................................................................................... 58

Figura 6.8 – Roda motora revestida com fita adesiva de Teflon para aumentar o coeficiente de atrito entre

a roda e o fio de corte. ...................................................................................................................... 59

Figura 6.9 – Polia danificada. Gaiola das esferas e casquilho interior perdidos. ................................ 59

Figura 6.10 – Representação esquemática da roda motora com fio. .................................................. 59

Figura 6.11 – Representação das forças atuantes na roda motora..................................................... 59

Figura 6.12 – Representação da força do movimento da roda motora sobre a polia guia. .................. 61

Figura 6.13 – Representação dos vetores de forças do rotação do fio sobre a roda motora. ............... 61

Figura 6.14 – Representação da força do movimento da roda motora e da tensão do fio exercida pelo

tensionador sobre polia guia. ............................................................................................................ 63

Figura 6.15 – Representação esquemática das dimensões básicas da polia. ..................................... 65

Figura 6.16 – Representação esquemática da polia dimensionada. ................................................... 68

xvii

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 Comparação técnico-económica das tecnologias para lavra de mármore ............................... 5

Tabela 2 Comparação técnico-económica das tecnologias para lavra de granito ................................... 6

Tabela 3 – Parâmetros controláveis e não controláveis influentes no corte de pedra por fio diamantado.

........................................................................................................................................................ 25

Tabela 4 – Especificações do motor elétrico ...................................................................................... 43

Tabela 5 – Valores dos fatores da equação (4) .................................................................................. 43

Tabela 6 – Valores dos fatores da equação (5) para determinar o diâmetro da roda motora ............... 44

Tabela 7 – Valores dos fatores da equação (5) para determinar a velocidade do veio da roda motora

selecionada com um relação de transmissão. ................................................................................... 44

Tabela 8 – Valores dos fatores da equação (6) para determinar o diâmetro da poiia SPZ 1. ............... 45

Tabela 9 – Valores dos fatores da equação (5) para determinar a velocidade na periferia da roda motora.

........................................................................................................................................................ 45

Tabela 10 – Valores dos fatores das equações (7) e (8) para determinar a força máxima aplicada na

mesa ................................................................................................................................................ 50

Tabela 11 – Valores dos fatores das equações (9), (10) e (11) e o sistema de equações (12) para

determinar as forças no ramo tenso e ramo bambo do fio de corte na roda motora. .......................... 60

Tabela 12 – Valores dos fatores das equações (14), (15) e (16) para determinar a força exercida pela

mola do tensionador passivo. ............................................................................................................ 62

Tabela 13 – Valores dos fatores da equação (17) para determinar a força radial total exercida na polia

guia no momento da rotura. ............................................................................................................. 63

Tabela 14 – Valores dos fatores das equações (9), (10) e (11) e o sistema de equações (12) para

determinar as forças no ramo tenso e ramo bambo do fio de corte na roda motora nas condições de

máxima solicitação. .......................................................................................................................... 64

Tabela 15 – Valores dos fatores da equação (18) para determinar a força radial exercida pelo fio na polia

guia. ................................................................................................................................................. 64

Tabela 16 – Valores dos fatores da equação (19) para determinar a força radial máxima exercida na polia

guia. ................................................................................................................................................. 65

xviii

Tabela 17 – Valores dos fatores das equações (20), (21) e (22) para determinar algumas das dimensões

base polia. ....................................................................................................................................... 66

Tabela 18 – Dimensões do rolamento de rolos cilíndricos selecionado. ............................................. 66

Tabela 19 – Valores dos fatores das equações (23) e (24) para determinar os vakores das cargas

admissíveis na garganta e eixo da polia. ............................................................................................ 67

xix

LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E ACRÓNIMOS

A Área m2

C Índice de mola

Cp Momento torsor no fio diamantado N.m

d Diâmetro do eixo do rolamento mm

D Diâmetro da roda motora m

da Diâmetro do arame da mola m

Db Diâmetro do furo da polia mm

De Diâmetro de enrolamento da mola m

Dp Diâmetro do passo da polia mm

Dr Diâmetro do fio mm

Drim Diâmetro da coroa da polia mm

Dt Diâmetro da bitola da polia mm

e Número de Neper ~2,718

F Frequência da rede Hz

F1 Força no ramo tenso N

F1 e ΔF Forças exercidas sobre o fio diamantado N

F1m Força exercida pela mola do tensionador no fio de

corte na posição de menor tensão

N

F2 Força no ramo bambo N

Fa Soma da força de atrito entre a pérola e a rocha e

da força necessária para remover o material da

pedra

N

Fc Força centrífuga N

Fp Força perpendicular ao corte N

Frf Força radial máxima exercida pelo fio N

Frm Força radial máxima exercida na polia N

G Módulo de resistência ao corte GPa

g Aceleração da gravidade ~9,810 m/s2

xx

i Relação de transmissão

KW Fator de correção de Wahl

Lgarganta Carga admissível na garganta da polia kg

Leixo Carga admissível no eixo da polia kg

l0 Comprimento livre da mola M

l1 Comprimento de montagem da mola m

m Massa kg

N Número de espiras da mola

n Velocidade do motor elétrico rpm

n1 Velocidade na roda dentada 1 rpm

n2 Velocidade na roda dentada 2 rpm

n3 Velocidade no veio da roda motora rpm

P Potência do motor elétrico W

p Número de polos

P1 Pressão exercida na pérola diamantada no início da

zona de contato de corte

Pa

Pn Pressão exercida na pérola diamantada no fim da

zona de contacto de corte

Pa

Q Caudal de refrigerante l/min

R Raio de curvatura do arco do fio diamantado m

U Diferença de fases do motor V

V Volume útil máximo admissível m3

v Velocidade linear na periferia da roda motora

(velocidade do fio)

m/s

y Curso de flexão da mola m

z Número de dentes na roda motora

z1 Número de dentes na roda dentada 1

z2 Número de dentes na roda dentada 2

α Ângulo de contacto entre o fio diamantado e a

pedra/ângulo de abraçamento da roda pelo fio

˚

xxi

β Ângulo de contacto entre o fio diamantado e a

pedra/ângulo entre os vetores das forças

𝐹1 e 𝐹2

˚

µ Coeficiente de atrito

ρ Massa volúmica kg/m3

σ Tensão Pa

CAD Computer Aided Design

CC Cortador à corrente

CMH Cunha Mecânica ou Hidráulica

CNC Controlo Numérico Computadorizado

DEM Departamento de Engenharia Mecânica

EXPL Desmonte com explosivos

FD Fio Diamantado

FH Fio Helicoidal

OFA Oficinas de Formação e Apoio

PC Perfuração Contínua

PG Polia Guia

RM Roda Motora

1

1. INTRODUÇÃO

A qualidade, beleza e reputação são os principais atributos da pedra portuguesa cujas exportações

registaram um aumento de 28% no primeiro trimestre de 2012, o maior aumento dos 5 anos

anteriores, desde que começou a sentir-se a contração do mercado europeu. Neste período, o

setor exportou mais de € 86,8 milhões face aos € 68 milhões registados no período homólogo de

2011. Mas já em 2011, os sinais de vitalidade do setor eram positivos: as exportações tinham

registado no ano transato um aumento de 1,7%, representando um volume de negócios superior

a 301 milhões de euros. Depois de Itália, Portugal é o maior exportador de pedra do mundo per

capita. A China, a França, a Espanha e a Arábia Saudita são os principais importadores (Portugal

Global, 2012).

Em 2013, apesar de se ter perdido terreno na China mas focando-se mais no mercado europeu,

as exportações do setor resultaram em quase € 340 milhões (MALTA, 2014), cerca de 0,2% do

PIB nesse ano.

No primeiro semestre de 2014, as exportações no setor atingiram os € 177,9 milhões, mais 0,3%

que no período homólogo de 2013. Já as importações desceram para € 20,1 milhões, menos

12,3% que no mesmo período de 2013 (AICEP, 2014) o que indica que o mercado ainda está em

expansão e a dependência externa está mais reduzida.

Desde 2001 o Brasil subiu de 12º para o 4º lugar no ranking de consumo de rocha, com apenas

a China, a Índia e os EUA à frente (XXIV Report Marble and Stone in the World, 2013 apud Vitória

Stone Fair, 2015). As exportações da pedra ornamental brasileira alcançaram as 2,55 toneladas

em 2014, resultando em US$ 1,22 mil milhões (~€ 1,12 mil milhões). Em relação à tecnologia

no setor da pedra, o Brasil é o 3º maior importador de maquinaria e outros equipamentos atingindo

os US$ 148,1 milhões em 2013 (~€ 135,6 milhões), dos quais US$ 93,2 milhões (~€ 85,4

milhões), cerca de 62,9%, provenientes de Itália, fazendo do Brasil o maior importador de

tecnologia italiana no setor da pedra, especialmente tecnologia de corte de pedra por fio

diamantado (Vitória Stone Fair, 2015).

O fio diamantado, aplicado no corte de pedra, destaca-se em relação a outras tecnologias devido

à sua versatilidade, custos, baixa espessura de corte, que por sua vez implica uma baixa taxa de

desperdícios (o que também se reflete num menor impacto ambiental) e um ótimo acabamento

2

superficial, caraterística importante no setor. (REGADAS, 2006; FOUNTI, GIANNOPOULOS, &

LASKARIDIS, 2010; JDK Diamond Tools CO., Ltd, 2011). Também requer menor mão de obra e

garante maior segurança nas condições de trabalho devido a baixas vibrações, ruído e poeiras

(AYIM, 2011; Vuoriteknikot ry, 2013).

O mercado de máquinas-ferramenta é responsável pela movimentação de boa parte da economia

mundial (STOETERAU, 2004). Por ser um mercado competitivo, devido aos consumidores estarem

atentos às inovações tecnológicas e tendo em conta as condições favoráveis em que o setor da

pedra se encontra em Portugal e Brasil, o estudo e desenvolvimento de equipamentos avançados

de corte de pedra ornamental que permitam rigor, qualidade e rapidez de execução são requisitos

para reforçar a liderança no setor das pedras ornamentais a nível nacional e a nível internacional.

O presente trabalho teve como base o estudo efetuado por Carlos Monteiro, o qual foi analisado e

complementado com informação adicional para aplicação no desenvolvimento de um protótipo de

uma máquina de corte de pedra por fio diamantado. Esta máquina foi desenvolvida com o intuito

de realizar testes e análise e verificação dos parâmetros de corte atuais para otimização e

padronização dos mesmos de forma a colmatar incongruências na informação disponível sobre os

processos desta tecnologia. Além disso, ambicionam-se a implementação de sistemas CNC e

desenvolvimento de novas ferramentas de modo a acrescentar valor aos processos e produtos do

setor.

3

2. CONTEXTUALIZAÇÃO HISTÓRICA

A pedra é um produto natural que tem sido vital para o abrigo e desenvolvimentos cultural e

económico do ser humano desde os seus primórdios. As gerações passadas construíram grandes

templos e mausoléus a partir de pedra (civilizações egípcia e maia), enquanto na Europa existem

vários exemplos de estruturas de pedra contemporâneas às anteriores, incluindo as vulgares

pedras eretas (Callanish, Carnac, Stenness, Stonehenge e Cromeleque dos Almendres) e túmulos

(Maes Howe e Campo Arqueológico da Serra da Aboboreira), ou mais recentes e próximos como

povoamentos (Citânia de Briteiros) e edifícios individuais (Castelo de Guimarães) (SMITH, 1999).

Nos dias de hoje a utilidade e necessidade da pedra não é diferente, aplicando-se também na

construção de edifícios e ornamentos.

A aplicação moderna de ferramentas diamantadas tem cerca de um século, contudo, o uso de

diamantes como ferramenta de gravação remonta a 350 a.C.. No tempo de Cristo, eram aplicadas

aparas de diamantes quebrados em pegas de ferro, ou seja, ferramentas diamantadas ligadas por

metal. O marco seguinte na história destas ferramentas teve lugar em 1819, quando a primeira

patente para uma fieira de estiragem de diamante foi atribuída à empresa Brockendon na

Inglaterra. Contudo, nessa época, provou-se impossível aplicar esta invenção para uso prático e

levou cerca de 40 anos até que a primeira fieira de estiragem de diamante fosse fabricada e

utilizada com sucesso pela Milan e Balliffet em França. Entretanto, em 1824, Pritchard começou

a usar rodas diamantadas para esmerilar e polir lentes microscópicas. Em 1854, um engenheiro

francês Hermann candidatou-se para patentear uma ferramenta de um único cristal de diamante

para corte, torneamento e entalhe de rochas duras e alguns anos mais tarde, em 1862, foi

patenteada a pedido de Leschot de Génova uma plataforma de perfuração. (KONSTANTY, 2005)

As primeiras serras circulares diamantadas foram desenvolvidas em França em 1885 por Fromholt

e anos mais tarde, estas ferramentas foram utilizadas para cortar calcário e mármore para a

construção de edifícios em Paris na década de 1900. Entre 1927 e 1931, foram feitos progressos

em ferramentas abrasivas e em 1940, ferramentas abrasivas diamantadas foram aplicadas

industrialmente. (KONSTANTY, 2005)

Até ao início dos anos 50, o desenvolvimento de ferramentas diamantadas foi relativamente lento.

Nesse período, estavam disponíveis apenas diamantes minerados e após a invenção de diamantes

4

sintéticos, que hoje representam cerca de 95% dos diamantes usados industrialmente, o

desenvolvimento destas ferramentas foi impulsionado. No final da década de 60, foram utilizadas

as primeiras máquinas de corte de pedra de fio diamantado em Carrara, Itália. As pérolas

consistiram na eletrodeposição de diamantes numa matriz metálica (KONSTANTY, 2005;

KNECHT, 2010) e já na década de 70 foi desenvolvida a síntese de diamantes de “serra” de alta

qualidade para trabalhos de pedra exigentes como o corte de granito. (KONSTANTY, 2005)

A comercialização de máquinas de corte de pedra de fio diamantado iniciou-se nos anos 80, em

Carrara (Itália) (Diamant Boart, 2008). Em 1984 quase todas as pedreiras de mármore já usavam

esta tecnologia devido ao processamento de blocos ser mais económico relativamente à extração

por explosivos, que gera mais desperdícios e é mais difícil de controlar. (KNECHT, 2010) Ainda

durante esta década, foram introduzidas novas ferramentas abrasivas com diamantes ligados à

base de resinas termoendurecíveis para aplicações mais amplas. Nos anos 90 foram descobertos

novos métodos de síntese de diamantes policristalinos através de deposição química por vapor

(ou CVD) (KONSTANTY, 2005).

5

3. ESTADO DA ARTE

3.1 Enquadramento do fio diamantado no corte de pedra

O avanço tecnológico, em particular o fio diamantado, tem aumentado a rentabilidade dos

processos de extração e transformação de rocha. Cada tipo de rocha tinha a sua própria técnica

e a versatilidade do fio diamantado foi tal que algumas dessas técnicas acabaram por cair em

desuso. Os exemplos mais evidentes são o caso da exploração de mármores, que até então era

usado fio de aço helicoidal e exploração de granitos em que era usado o Jet-Flame (VIDAL, 1999

apud REGADAS, 2006). Um estudo levado a cabo pela Universidade de Cagliari (Tabela 1 e Tabela

2) analisou as várias técnicas usadas na exploração de mármore e granito e as suas condições

técnico-económicas, de operação das etapas de lavra, da sua localização e as caraterísticas de

semi-produtos e produtos finais. (REGADAS, 2006).

Tabela 1 Comparação técnico-económica das tecnologias para lavra de mármore Fonte: REGADAS, 2006, p. 50

MODALIDADE OPERACIONAL E PRESTAÇÃO PARÂMETROS TÉCNICOS

EXPL FH FD CC PC CMH

Velocidade de corte (m2/h) - 2-3 10-12 5-7 - -

Largura do corte (mm) - 9-10 11-12 40-50 - -

Rugosidade (cm) 5-8 1-2 2-4 0-1 2-3 4-8

Espessura da zona de desperdício (cm) 10-15 - - - - -

Dedução comercial (cm) 15-23 1-2 2-4 0-1 2-3 4-8

Custos de corte unitário (US$/m2) 20-25 30-40 18-24 23-32 28-38 19-24

Valor perdido (*)(US$/m2) de acordo com a

qualidade da rocha:

200 US$/m3 30-46 2-4 4-8 0-2 4-6 8-16

400 US$/m3 60-92 4-8 8-16 0-4 8-12 16-32

800 US$/m3 120-184 8-16 16-32 0-8 16-24 32-64

Legenda:

EXPL – Desmonte com explosivos

FH – Fio helicoidal

FD – Fio diamantado

CC – Cortador à corrente

PC – Perfuração contínua

CMH – Cunha mecânica ou hidráulica

(*) Coeficiente de utilização para uma área de corte de 50%.

6

3.2 Fio diamantado

O fio diamantado (Figura 3.1) é constituído por pérolas diamantadas montadas num cabo de aço

de alta resistência (Diamant Boart, 2008). Estas pérolas são separadas ao longo do cabo por

molas metálicas ou um por material polimérico, dependendo da aplicação (REGADAS, 2006).

Tabela 2 Comparação técnico-económica das tecnologias para lavra de granito Fonte: REGADAS, 2006, p. 51

MODALIDADE OPERACIONAL E PRESTAÇÃO PARÂMETROS TÉCNICOS

EXPL FH FD CC PC CMH

Velocidade de corte (m2/h) - 1-2 3-4 1-3 - -

Largura do corte (mm) - 80-100 11-12 30-50 - -

Rugosidade (cm) 5-8 4-6 2-4 1-2 2-3 4-8

Espessura da zona de desperdício (cm) 5-10 10-20 - - - -

Dedução comercial (cm) 10-18 14-26 2-4 1-2 2-3 4-8

Custos de corte unitário (US$/m2) 23-30 75-90 60-90 35-60 35-40 25-31

Valor perdido (*)(US$/m2) de acordo com a

qualidade da rocha:

200 US$/m3 20-36 28-52 4-8 2-4 4-6 8-16

400 US$/m3 40-72 52-104 8-16 4-8 6-12 16-32

800 US$/m3 80-144 104-208 16-32 8-16 16-24 32-64

Legenda:

EXPL – Desmonte com explosivos

FH – Fio helicoidal

FD – Fio diamantado

CC – Cortador à corrente

PC – Perfuração contínua

CMH – Cunha mecânica ou hidráulica

(*) Coeficiente de utilização para uma área de corte de 50%.

Figura 3.1 – Tipos de fio diamantado da KEEN TOOL. De cima para baixo: Fios com borracha, mola e plastificados Fonte: Página "Diamond cutting saw / rope saw (diamond wire saw, cutting blade)" no "Lululoso.com".

7

3.2.1 Pérolas diamantadas

As pérolas diamantadas são segmentos anelares com diâmetro de 6,3 a 12 mm, com

comprimento de 6 mm, com um número de pérolas que pode variar entre 32 a 40 por metro e

espaçadas por diferentes revestimentos que envolvem o cabo, dependendo da aplicação

(REGADAS, 2006; DE OLIVEIRA & FIGUEIRA, 2008; AYIM, 2011; Diabü Diamantwerkzeuge, 2013;

Vuoriteknikot ry, 2013). Durante o corte, o diâmetro das pérolas diminui, até atingir a anilha

metálica (com aproximadamente 7 mm de diâmetro no caso da Figura 3.2, mas é menor para

pérolas mais pequenas) (REGADAS, 2006; Diamant Boart, 2008). Estas pérolas são compósitos

constituídos por partículas de diamante embebidas numa matriz metálica ligante (geralmente

tungsténio, cobalto, cobalto-bronze, ferro-cobalto) para formar o compósito diamantado. Estes

materiais são normalmente produzidos em grande escala pelas técnicas da Metalurgia do Pó, e

abrangem uma grande variedade de aplicações, como processamento de rochas, engenharia civil,

etc. Atualmente, a maioria das ferramentas diamantadas (serras de disco, lâminas, mós, etc.) é

produzida pela prensagem a quente, que pode ser finalizada por infiltração metálica em alguns

casos, mas também algumas são produzidas por prensagem a frio, sinterização convencional ou

eletrólise sendo estes dois últimos métodos os mais utilizados em fios diamantados (REGADAS,

2006; DE OLIVEIRA & FIGUEIRA, 2008). Durante o processo, as partículas de diamante são ligadas

à matriz metálica por uma combinação de reações químicas e físicas, e é necessário um controlo

rígido dos parâmetros de processamento para evitar ataque, dissolução e/ou grafitização do

diamante, o que pode afetar o desempenho final do corte (DE OLIVEIRA & FIGUEIRA, 2008).

Normalmente, os diamantes utilizados no processamento de pérolas são de alta qualidade, ou

seja, apresentam elevada condutividade térmica e dureza. O teor de diamantes pode variar de

Figura 3.2 – Detalhe do formato da pérola diamantada.

Fonte: REGADAS, 2006, p. 58

8

concentração 30 a 50, o que corresponde, respetivamente a 0,26 e 0,44 g de diamante por cm3

de volume abrasivo, dependendo da dureza (e abrasividade) do material a ser cortado e da taxa

de corte desejada. (DE OLIVEIRA & FIGUEIRA, 2008)

3.2.1.1 Pérolas eletrodepositadas

O fio diamantado com pérolas eletrodepositadas foi o primeiro a ser introduzido no mercado. As

suas pérolas são feitas com um suporte anelar metálico, onde são depositadas por eletrólise,

através de banhos galvânicos, os grãos de aproximadamente 0,30 a 0,40 quilates de diamante

sintético com granulometria entre 40 a 60 mesh (Anexo III) (Figura 3.3 – Pérola

Eletrodepositada.Figura 3.3). Estas ferramentas caraterizam-se pela sua alta robustez, penetração,

capacidade de corte no arranque e uma velocidade de corte elevada. Este tipo de cabo é o mais

adequado para corte de rocha de baixa dureza (preferencialmente mármores) e em pequenos

cortes e corte de blocos (pequenos raios de curvatura), devido ao facto dos diamantes serem

salientes e, portanto, cortarem de uma maneira mais eficaz, mesmo que com maior desgaste.

Estas pérolas são as mais recomendadas quando se desejam velocidades de corte elevadas,

contudo, essa velocidade decresce regularmente com o tempo mas em contrapartida, em função

do tipo de aplicação, permitem a utilização de máquinas de baixa potência (~18,4 kW) e uma

refrigeração reduzida (entre 10 a 20 l/min). (REGADAS, 2006; Diamant Boart, 2008).

3.2.1.2 Pérolas sinterizadas

As pérolas sinterizadas foram concebidas para cortar todos os tipos de rocha (incluindo as rochas

mais duras e mais abrasivas) e para aumentar a durabilidade do fio. Este processo consiste na

homogeneização de uma poeira diamantada com poeira metálica, dispostas numa forma cilíndrica

e submetidas a altas pressão e temperatura, em equipamentos especiais chamados

Figura 3.3 – Pérola Eletrodepositada.

Fonte: Diamant Boart, 2008, p. 14

9

sinterizadores. Este método é mais indicado para corte de rochas duras e abrasivas, devido à

distribuição homogénea dos diamantes na pasta diamantada, que, quando desgastada, revela

novos diamantes até ao total desgaste da pérola (Figura 3.4). A utilização deste tipo de pérolas

exige uma potência mínima de aproximadamente 30 kW e uma refrigeração “normal”, ou seja, de

20 a 50 l/min segundo as dimensões do corte. (REGADAS, 2006; Diamant Boart, 2008)

3.2.1.3 Comparação entre pérolas eletrodepositadas e sinterizadas.

A velocidade de corte com pérolas eletrodepositadas decresce linearmente com o uso, devido à

existência de uma única camada de diamantes. A longevidade do fio diamantado com pérolas

sinterizadas é, muitas vezes, o dobro da do fio com pérolas eletrodepositadas e por um custo

pouco mais elevado (Caranassios e Pinheiro, 2004 apud Regadas, 2006) (Figura 3.5).

Figura 3.4 – Pérola Sinterizada.


Figura 3.5 – Comparação do desgaste entre pérolas diamantadas sinterizadas e eletrodepositadas.


10

No corte com pérolas sinterizadas a velocidade de corte é mantida constante durante a vida útil

da pérola, mas exige uma potência de operação e refrigeração mais elevadas em relação ao corte

com pérolas eletrodepositadas. (REGADAS, 2006; Diamant Boart, 2008).

3.2.2 Tipos de fios diamantados

3.2.2.1 Fios com molas

Os primeiros fios diamantados possuíam molas. Este tipo de revestimento de fio diamantado é

preferencialmente utilizado na extração de mármores e são constituídos basicamente por um cabo

de aço, pérolas e molas metálicas (Figura 3.6) para manter o espaçamento entre as pérolas e

absorver os choques do fio contra a rocha. A constituição básica dos fios, que por vezes, era

montado nas pedreiras, começou a dar problemas no cabo de aço, porque não existia proteção

do cabo contra potenciais agentes de contaminação (poeiras, água, etc.) e por isso a sua

deterioração era muito rápida. Por motivos de segurança, estes fios possuem anilhas de fixação

entre a mola e a pérola diamantada, para que, em caso de rutura do cabo de aço, as pérolas não

sejam projetadas. Estes anéis também permitem minimizar o deslocamento das pérolas devido à

expansão/retração das molas (REGADAS, 2006; Diamant Boart, 2008).

3.2.2.2 Fios com plástico

Com a finalidade de minimizar o problema das contaminações no cabo de aço, foi desenvolvido o

sistema de espaçadores plásticos em função da maior abrasividade que os granitos apresentam

(Figura 3.7). A lama abrasiva ocasiona um desgaste excessivo do cabo, resultando em quebra

prematura e o fim da sua vida útil, apesar das pérolas ainda estarem sãs. Para conseguir essa

proteção contra as lamas abrasivas é injetado um plástico de forma a preencher os espaços entre

os anéis diamantados e o cabo de aço. Desta forma, o plástico protege o cabo de aço da erosão

ocasionada pela lama abrasiva. (REGADAS, 2006).

Figura 3.6 – Fio diamantado com molas e anéis de fixação. Fonte: Diamant Boart, 2008, p. 16

11

Este tipo de revestimento é preferencialmente utilizado para a maquinagem de granito e mármore

tanto para máquinas de monofio como para as de multifio, sendo estas últimas a melhor

recomendação (ver capítulo 3.2.2). (REGADAS, 2006; Diamant Boart, 2008)

3.2.2.3 Fios com borracha (vulcanizados)

A vulcanização é um processo termoquímico aplicado aos polímeros elastométricos (borrachas),

que devido a este processo adquirem propriedades físicas que as tornam adequadas a várias

aplicações, como por exemplo, elemento integrante dos fios diamantados. O processo consiste

em envolver com borracha o cabo de aço e os espaços vazios deixados entre as pérolas, de forma

a tornar os componentes interligados (Figura 3.8). Esta técnica torna o cabo mais pesado, mas

confere-lhe maior flexibilidade. (REGADAS, 2006)

Este tipo de revestimento é o mais utilizado na extração de granito em pedreiras, apesar de ser a

opção mais dispendiosa. A escolha deve-se ao facto da borracha vulcanizada apresentar maior

aderência às pérolas e ao cabo de aço, selando este último contra as lamas abrasivas,

especialmente quando o cabo assume raios de curvatura mais apertados (início e fim de cortes

na pedreira). Outro dos motivos é o facto de a borracha vulcanizada resistir melhor a aumentos

de temperatura provocados por irrigação incorreta, que é muito comum em pedreiras, o que já

não acontece com revestimentos em plástico, que se deformam com o aumento de temperatura

correndo o risco de desproteger o cabo de aço. Finalmente, a flexibilidade de um fio diamantado

com este revestimento reduz o risco de desgaste irregular das pérolas, denominado ovalização

(ver capítulo 3.3), aumentando assim o tempo de vida das pérolas (Diamant Boart, 2008).

Figura 3.7 – Fio diamantado plastificado.


Figura 3.8 – Fio diamantado vulcanizado.


12

Na montagem de fios diamantados com revestimento polimérico (borracha vulcanizada e plástico),

as pérolas são inseridas no cabo de aço, e de seguida o conjunto é levado para um molde onde

se estabelece o espaçamento e se introduz o revestimento (Figura 3.9) (REGADAS, 2006; Diamant

Boart, 2008; Vuoriteknikot ry, 2013). Este procedimento tem a vantagem de proteger o cabo

transportador da abrasividade das lamas de corte. Além disso, a utilização dos cabos injetados é

menos perigosa: em caso de rutura, as pérolas mantêm-se montadas no cabo, o que não é

garantido com os cabos não injetados. (REGADAS, 2006)

3.2.2.4 Outros tipos de fios e aplicações

Alguns fios possuem pérolas diamantadas eletrodepositadas cónicas (Figura 3.10) a fim de

melhorar a eficácia do corte e podem apenas ser utilizados numa única direção de funcionamento.

Contudo, caso o fio seja montado na direção errada, este pode ser destruído em 30 min (Diaquip

Sales & Service, 2004).

Alguns fios diamantados combinam diferentes tipos de revestimentos (Figura 3.11) para

aplicações especiais (com borracha e molas ou plástico e molas) (Diamant Boart, 2008; Tyrolit,

2012; Winterstone, 2012; Diamantcer, 2014).

Figura 3.9 – Molde de injeção do revestimento no fio diamantado.


Figura 3.10 – Fio diamantado com pérolas eletrodepositadas cónicas.

Fonte: Diaquip Sales & Service, 2004, p. 10

13

Alguns fabricantes exploraram outros formatos de fio diamantado, como o exemplo do fio em

forma de bala (Figura 3.12). Segundo Tyrolit, 2012 este formato original protege o cabo de aço

por mais tempo, permite uma melhor distribuição de água ao longo do fio melhorando a remoção

de resíduos e com a combinação de pérolas apropriadas aumenta a produtividade. Contudo estes

fios estão limitados a circular num único sentido.

A escolha do tipo de fio baseia-se na aplicação que terá e, para alcançar esse objetivo, conjugam-

se algumas caraterísticas como o tipo de pérola, o seu diâmetro, o tipo de revestimento e o número

de pérolas por metro de cabo. Por exemplo, se se desejar um corte muito rápido e um bom tempo

de vida do fio para usar numa máquina de baixa potência, escolhe-se um fio com pérolas

eletrodepositadas de diâmetro 8,5 mm, com 45 pérolas por metro de fio (Diaquip Sales & Service,

2004). O Anexo IV contém um exemplo de uma tabela de seleção de fios diamantados.

3.3 Máquinas de corte por fio diamantado

O fio diamantado é acionado por uma polia associada a um motor e o movimento é feito em

circuito fechado. O material é então removido principalmente pela ação abrasiva das pérolas

diamantadas que compõem o fio, mas também pelas lamas resultantes da mistura entre a água

do sistema de refrigeração e o próprio material removido.

Os equipamentos de corte de pedra por fio diamantado dividem-se essencialmente em 2 tipos:

extração de rocha e transformação de rocha.

Figura 3.11 – Fio diamantado com revestimento de plástico+mola.


Figura 3.12 – Fio diamantado em forma de bala.

Fonte: Tyrolit, 2012, p. 2

14

3.3.1 Máquinas para extração de rocha

As máquinas de corte por fio diamantado para a extração de rocha em pedreiras são máquinas

móveis e o seu movimento (feito sobre carris) acompanha a progressão do corte para manter o fio

na tensão ideal de trabalho (Figura 3.13). Em comparação com as ferramentas de extração de

rocha convencionais, além dos aspetos técnicos referidos em 3.1, como baixo custo e largura de

corte, que por sua vez produzem menos resíduos (e menor impacto ambiental), estes

equipamentos requerem menor mão de obra, são facilmente instalados, produzem menos

vibrações e ruído, garantem bom acabamento superficial e são um bom exemplo da versatilidade

que o fio diamantado oferece como ferramenta de corte, pois é possível cortar na horizontal, na

vertical e em zonas de difícil acesso (REGADAS, 2006; FOUNTI, GIANNOPOULOS, & LASKARIDIS,

2010; MARCON, PEITER, & CASTRO, 2012; JDK Diamond Tools CO., Ltd, 2011; AYIM, 2011;

Vuoriteknikot ry, 2013).

Antes de se iniciar o corte para extrair a rocha é necessário fazer furos (Figura 3.14) coplanares

por onde passa o fio diamantado; de seguida, são posicionadas polias guias ou polias auxiliares

para guiamento do fio diamantado (REGADAS, 2006; DAMBOV, STOJKOSKI, KOSTOSKI, &

STOJKOSKI, 2011).

Figura 3.13 – Máquina de corte de pedra por monofio diamantado vertical móvel SHUINAN.

Fonte: Página "diamond wire saw Small mine wire saw machine" no "Weiku.com".

Figura 3.14 – Representação esquemática da realização de furos para passagem do fio diamantado.

Fonte: DAMBOV, et al., 2011, p. 43

15

Esta tecnologia oferece uma boa flexibilidade relativamente à orientação do corte através do

posicionamento das polias guia. (MONTEIRO, Corte de Pedra por Fio Diamantado, 2014b)O corte

pode ser realizado na horizontal ou na vertical pelo método normal (Figura 3.15) ou em “L” (Figura

3.16 e Figura 3.17respetivamente). (REGADAS, 2006; DAMBOV, STOJKOSKI, KOSTOSKI, &

STOJKOSKI, 2011).

Outro método de extração de rocha por fio diamantado é o chamado “corte cego”. Quando o

espaço disponível para a extração através dos métodos anteriores é insuficiente, recorre-se a este.

Tal como nas técnicas anteriores, também são realizados furos na rocha, mas neste caso são dois

furos verticais onde são introduzidas duas torres tubulares com pequenas polias nas extremidades.

O corte realiza-se então de fora para dentro, daí a denominação “corte cego” (Figura 3.18)

(REGADAS, 2006).

Figura 3.15 – Representação esquemática de corte horizontal e vertical por fio diamantado.

Fonte: DAMBOV, et al., 2011, p. 43

Figura 3.16 – Corte vertical em “L”.


Figura 3.17 – Corte horizontal em “L”.


16

3.3.2 Máquinas para transformação de rocha

As máquinas de corte por fio diamantado para a transformação de rocha são também conhecidas

como “estacionárias”, por, tal como o nome indica, se manterem no mesmo local enquanto

operam. O fio diamantado é albergado por um pórtico ou arco (que pode ser fixo ou móvel) e a

pedra a cortar ou lapidar pode também estar fixa ou móvel, de tal modo que pelo menos um dos

elementos deve mover-se para que seja efetuado o corte. Dentro desta categoria existem as

máquinas de multifio e monofio (Figura 3.19 e Figura 3.20 respetivamente). (REGADAS, 2006;

MONTEIRO, 2014b).

As máquinas de multifio destinam-se, basicamente, à produção de chapa de pedra. Estas

máquinas oferecem claras vantagens em relação às tecnologias rivais como maior produtividade

Figura 3.18 – Corte cego.

Fonte: McCARTHY, 2011, p. 37

Figura 3.19 – Máquina multifio Paragon 1600 da Breton.

Fonte: Página "Paragon 1600" no "Breton.it"

Figura 3.20 – Máquina monofio estacionária Bidese Impianti da Breton. Fonte: MONTEIRO, 2014ª

17

e menor impacto ambiental devido à sua baixa espessura de corte (Diabü Diamantwerkzeuge,

2013). Já as máquinas de monofio oferecem uma gama de produtos finais bem mais abrangente.

Estes equipamentos possibilitam esquadrejar blocos irregulares ou produzir ornamentos com

geometrias complexas. (REGADAS, 2006)

As máquinas mais complexas, como o caso da Figura 3.21, são máquinas CNC que conjugam o

movimento da pedra com o movimento do pórtico, o qual possui, além do movimento vertical,

movimento angular em 2 eixos, permitindo uma gama mais alargada de formas (Figura 3.22)

(Breton UK, 2012).

3.3.3 Preparação e manutenção do fio diamantado

Após a escolha do comprimento que se deseja para o fio diamantado ou após a sua rutura é

necessário unir ou remendar as pontas. Mas antes de realizar essa operação, deve ser realizada

outra: a torção do fio diamantado. (REGADAS, 2006; Diaquip Sales & Service, 2004; AYIM, 2011;

Cedima, 2010; Tyrolit, 2004). Ao torcer o fio, o desgaste progride homogeneamente pela superfície

da pérola e também previne o sobreaquecimento aumentando assim o seu tempo de vida (AYIM,

2011; Cedima, 2010). A torção deve ser feita no sentido do enrolamento helicoidal do cabo de

aço (Figura 3.23) e o número de voltas para um fio novo deve ser de uma por metro, mas por

cada emenda, esse número deve aumentar (Anexo V) (Diaquip Sales & Service, 2004).

Figura 3.21 – Máquina de monofio de 4 eixos Poker 4 axes da Breton.

Fonte: Página "Poker 4 Axes Shaping Wiresaw" no "Breton UK"

Figura 3.22 – Escadaria helicoidal em pedra obtida pela Poker 4 axes da Breton.

Fonte: Página "Poker 4 Axes Shaping Wiresaw" no "Breton UK"

18

Depois da torção, as pontas do fio são unidas (ou emendadas), mas antes é necessário preparar

as pontas do cabo de aço. A secção do corte na ponta do cabo de aço tem de ser transversal

(perpendicular ao eixo do cabo), o que pode ser mais facilmente conseguido com uma

rebarbadora. Caso o cabo seja cortado com uma tesoura de cabos de aço, a secção fica angular

o que pode provocar um desprendimento da união. A correta preparação da ponta do cabo

melhora significativamente o tempo de vida do fio diamantado (Figura 3.24).

Após uma preparação correta das pontas, estas podem ser ligadas (Figura 3.25) com uniões

(Figura 3.26) fixadas com ferramentas próprias para o efeito (Figura 3.27) (Diamant Boart, 2008).

Figura 3.23 – Torção do fio diamantado.

Fonte: Cedima, 2010, p. 13

Figura 3.24 – Comparação da durabilidade entre fios diamantados com diferentes preparações das

pontas para união. Fonte: Tyrolit, 2004, p. 69

19

Tensões residuais e o aumento da histerese estão relacionados com picos de temperatura e fricção

entre o fio e a pedra e entre o fio e as polias. Por isso é necessário um caudal (Q) adequado de

líquido refrigerante, nomeadamente água, para banhar o fio de forma a manter o processo no

máximo desempenho (MASOOD, SILVESTRI, ZOPPI, & MOLFINO, 2012; MARCON, PEITER, &

CASTRO, 2012). Se o caudal de água for insuficiente, há maior produção de poeiras e o fio pode

ainda sobreaquecer, o que provoca sobre as pérolas alta taxa de desgaste, fratura térmica ou

agrupamento devido ao derretimento (ou mesmo rutura) do revestimento polimérico. Por outro

lado, se o caudal de água for excessivo, pode provocar menor taxa de corte devido à aquaplanagem

do fio, desperdício de refrigerante, gorjeio e ovalização (ver 3.4) (AYIM, 2011; Diamantcer, 2014).

Por vezes o fio diamantado entala em cantos ou em zonas em que a pedra está mais afiada, ou

seja, zonas com um raio de curvatura reduzido. Para evitar esse fenómeno (pelo menos no início

do corte), fazem-se pequenos cortes nas zonas críticas para aumentar o raio de curvatura do fio

(Figura 3.28).

Figura 3.25 – União das pontas do fio.


Figura 3.26 – Tipos de união para fio diamantado.


Figura 3.27 – Prensa (esquerda) e alicate (direita) de emendar fio diamantado.


20

3.4 Danos frequentes no fio diamantado.

Um dos aspetos que se deve considerar para maximizar a rentabilidade da produção é o

prolongamento da vida útil das ferramentas, para o que é necessário conhecer os fenómenos que

põem em risco a integridade das mesmas. O fio diamantado não é exceção. A seguir estão listados

os principais tipos de danos verificados nesta ferramenta.

Pérolas cilíndricas conificadas – Acontece quando a velocidade de corte aplicada é

demasiado reduzida, quando a superfície de contacto do corte é demasiado reduzida, ou quando

o caudal de refrigerante é insuficiente; (Diamantcer, 2014; Tyrolit, 2004).

Efeito cometa – Tal como no caso anterior, acontece quando a velocidade de corte é

demasiado reduzida; (REGADAS, 2006);

Figura 3.28 – Pormenor de corte no canto da pedra para redução de risco de entalamento do fio.


Figura 3.29 – Vista esquemática de fio diamantado com pérolas conifcadas.


21

Borracha danificada – Causada por detritos no corte ou sobreaquecimento do fio, devido

principalmente ao fraco caudal de água; (Tyrolit, 2004; Diamantcer, 2014)

Pérolas fraturadas – provocado por pressão exercida nas pérolas devido a movimentos

naturais da rocha ou por fadiga térmica; (AYIM, 2011; Diamantcer, 2014)

Ovalização – Pode ser provocada pelo excesso de tensão, pré-torção do fio insuficiente,

distância entre a polia motora e a zona de entrada/saída do fio na pedra demasiado curta, ou pela

não alternância do sentido de corte; (REGADAS, 2006; Diamantcer, 2014; Tyrolit, 2004).O caudal

de água também poderá estar na origem deste problema; no entanto, a informação disponível é

inconclusiva: segundo Tyrolit, 2004, a ovalização pode ser provocada por um caudal insuficiente

de água durante o corte, mas de acordo com Diamantcer, 2014, a causa pode estar num caudal

excessivo. A solução poderá estar numa gama restrita de valores de caudal de água, mas visto

que tal não foi especificado, será necessária realização de testes para comprovar se o dano é

provocado por uma das causas ou ambas.

Figura 3.30 – Vista microscópica de pérola diamantada que apresenta efeito cometa.


Figura 3.31 – Fio diamantado com borracha danificada.

Fonte: Diamantcer, 2014, p. 26

Figura 3.32 – Fio diamantado com pérolas fraturadas.


22

Figura 3.33 – Fio diamantado ovalizado. Fonte: Tyrolit, 2004, p. 70

Figura 3.34 – Vista microscópica de pérola diamantada ovalizada.


Agrupamento de pérolas – Este fenómeno acontece quando a carga longitudinal aplicada

nas pérolas excede a resistência mecânica do revestimento, que pode estar fragilizado devido ao

sobreaquecimento do fio, mas a causa é muitas vezes atribuída ao entalamento do fio diamantado

numa fissura da rocha (REGADAS, 2006; Diamantcer, 2014; AYIM, 2011);

Figura 3.35 – Fios diamantados com pérolas agrupadas.


Rompimento do fio – Provocado por tensões excessivas no fio, entalamento do fio na

rocha, altas vibrações no fio, raio de contacto do fio com a pedra demasiado curto (por pontas de

pedra afiadas) ou desgaste da união do fio (ou montagem defeituosa) (Tyrolit, 2004; OZCELIK &

YILMAZKAYA, 2011);

Figura 3.36 – Rompimento do cabo de aço.


Figura 3.37 – Quebra da união.


23

Desprendimento da união – acontece quando o cabo de aço é incorretamente cortado (ver

3.3.3), a união é incorreta, há tensão excessiva no fio, o fio entala na pedra, o raio de contacto do

fio com a pedra é demasiado curto ou quando existem ângulos vivos na pedra (Tyrolit, 2004);

O fio não circula – Este fenómeno pode ser provocado por tensão excessiva no fio, pontas

de pedra afiadas, diâmetro de fio demasiado reduzido, aplicação de um novo fio num corte estreito

ou por um arco de contacto demasiado longo (Tyrolit, 2004).

3.5 Outras aplicações do fio diamantado

Além da exploração e transformação de rocha natural, a tecnologia de corte por fio diamantado é

aplicada noutras áreas.

A construção civil recorre por vezes a estes equipamentos para manutenção (Figura 3.38) ou

demolição (Figura 3.39Figura 3.38) de estruturas em zonas urbanas onde por vezes o ruído é

estritamente proibido (Engineers Edge, 2010; Vuoriteknikot ry, 2013).

Figura 3.38 – Máquina de corte por fio diamantado da “Huada” na manutenção de uma ponte. Fonte: Página "Diamond wire saw for cutting reinforced concrete" no "WireSawMachine.com".

Figura 3.39 – Demolição de torre de arrefecimento de central nuclear. Fonte: Página "Diamond wire sawing" no "CuttingTechnologies.com".

24

Os materiais metálicos também estão incluídos na lista de materiais que podem ser cortados por

fio diamantado. A operação de desmantelamento de navios descomissionados (Figura 3.40)

recorre muitas vezes a estes equipamentos, pois são mais silenciosos, poluem menos e são mais

seguros pois há menos perigo de colapso por criarem menos vibrações comparativamente com

outros equipamentos. Além disso permitem que o corte seja de qualquer tamanho desejado.

(Engineers Edge, 2010; Scanmet, s.d.)

Outras aplicações mais extremas desta tecnologia, incluem corte de estruturas subaquáticas como

tubagens (Figura 3.41) ou cablagens. O processo de corte destas estruturas é pouco poluente

pois, além da natureza do processo em si, a água circundante funciona como refrigerante e

lubrificante para o fio diamantado. (Engineers Edge, 2010)

A versatilidade e eficiência desta tecnologia tornou outras obsoletas e continua a ganhar terreno

nas que ainda perduram. Devido ao crescimento da sua procura verificam-se, atualmente, cada

vez mais estudos nesta área de modo a aumentar a competitividade das empresas envolvidas.

Sendo uma tecnologia relativamente “jovem” os estudos referentes à mesma são promissores

mais ainda revelam bastante potencial de maturação, reforçando uma análise mais aprofundada

para eventualmente os complementar. Alguns desses estudos são abordados no capítulo seguinte.

Figura 3.40 – Navio descomissionado cortado por máquina de fio diamantado da “Scanmet”. Fonte: Página "Diamant wire saw" no "Scanmet.no".

Figura 3.41 – Máquina de corte por fio diamantado subaquática Stihl 5000. Fonte: Página "Black Gold in the Deep Blue: Report from Ground Zero" no

"HarlanColt.hubpages.com".

25

4. ESTUDOS DO CORTE DE PEDRA POR FIO DIAMANTADO

Para maximizar a eficiência do processo é necessário conhecer os parâmetros que a afetam. De

acordo com estudos realizados por Ozcelik e Yilmazkaya, 2010, Marcon, et al., 2012 e Monteiro,

2014 o corte de pedra por fio diamantado é afetado por parâmetros controláveis e não

controláveis. Os parâmetros controlados correspondem às propriedades das ferramentas de corte

e dos equipamentos e também às condições de trabalho. Os parâmetros não controlados estão

relacionados com as propriedades da rocha.

4.1 Área de corte

Segundo um estudo por Marcon, et al., 2012, a eficiência do fio aumenta com a área de corte, o

que se acredita poder ser explicado pelo facto do rendimento ser inferior no início e no fim do

corte. Portanto, aumentando a área de corte, há um decréscimo na quantidade de cortes

necessária, reduzindo o número de etapas de baixo rendimento. Outro ponto citado foi a tendência

para um aumento de eficiência com o aumento do número de pérolas em contacto com a pedra,

confirmando o modelo teórico por Cavazzana em 2005.

4.2 Desgaste das pérolas diamantadas, velocidade periférica e forças

no corte.

Huang e Xipeng, 2013, estudaram o desempenho de pérolas sinterizadas e eletrodepositadas e

concluíram que as últimas são mais afiadas. Este facto é explicado pelas suas forças de corte

Tabela 3 – Parâmetros controláveis e não controláveis influentes no corte de pedra por fio diamantado. Fonte: OZCELIK e YILMAZKAYA, 2010; MARCON, et al., 2012 e MONTEIRO, 2014.

Parâmetros não controlados (relacionados com as propriedades da pedra)

Parâmetros controlados e parcialmente controlados

Propriedades da ferramenta de corte e equipamentos

Operabilidade

Dureza; Abrasividade; Tensões; Grau de alteração; Descontinuidades; Propriedades mineralógicas; Caraterísticas texturais.

Potência da máquina; Velocidade periférica; Tamanho das polias; Número de pérolas por metro; Número de pérolas em contacto com a pedra; Raio de curvatura do fio em contacto com a pedra; Quantidade de água utilizada; Dimensões do corte.

Qualificação do operador; Vibrações; Direção do corte; Ângulos de ataque do fio diamantado com o bloco rochoso.

26

serem mais reduzidas comparando com as pérolas sinterizadas, apresentando menos 16% de

força tangencial e menos 28% de força normal. Desta forma conseguem cortar a rocha mais

facilmente, aumentando a produtividade até ao dobro e consumindo menos energia (até 5 vezes

menos) do que as pérolas sinterizadas.

O desempenho das pérolas eletrodepositadas pode ter-se provado superior, mas de acordo com o

estudo por Caranassios e Pinheiro, 2004 apud Regadas, 2006 (ver 3.2.1.3), esse desempenho

deteriora-se progressivamente. Isto deve-se ao facto de existir apenas uma camada de diamantes

na superfície destas pérolas (eletrodepositadas) enquanto que nas sinterizadas, o desempenho é

aproximadamente constante e a sua durabilidade é consideravelmente superior.

Num estudo por Jain, et al., 2013, o desgaste das pérolas e a taxa de corte foram analisados

numa máquina com um motor trifásico de 15 kW de potência de acordo com três valores de forças

de tração no fio (850 N, 930 N e 1010 N) e a sua velocidade periférica de corte em pedras de

mármore de diferentes níveis de dureza. Após o estudo, concluiu-se que a velocidade periférica

ótima de funcionamento varia pouco relativamente à dureza do mármore (entre 27 e 29 m/s) e

que quanto maior a força de tração no fio, maior é a taxa de corte. Também se verificou que o

desgaste das pérolas não só aumenta com o aumento da velocidade periférica e a força de tração

do fio, mas também com a dureza do mármore. Contudo, este estudo não contempla parâmetros

de corte importantes, bem como outras caraterísticas texturais, como granulometria, valor da

dureza, ou outras caraterísticas texturais, estabelecidos qualitativamente sem indicação de valores

de referência quantitativos que possam servir de base para estudos comparativos. Também não

são indicados os parâmetros controláveis, como a configuração da ferramenta de corte, os ângulos

de ataque da ferramenta de corte ao bloco rochoso e ainda os valores da pressão ou caudal de

água usados no corte (MONTEIRO, 2014b).

Num estudo por Turchetta, et al., 2014 e posteriormente por Monteiro, 2014b analisaram-se as

forças em jogo nas pérolas e no fio diamantado durante o processo de corte, tendo em conta a

curvatura do fio (Figura 4.1). Durante o corte, uma dada pérola que esteja em contacto com a

pedra está sujeita a uma força na direção do corte chamada Fa, que é uma soma da força

necessária para remover o material da pedra e da força de atrito, e a uma força perpendicular à

direção do corte chamada Fp, que está relacionada com a direção do avanço do corte

(TURCHETTA, POLINI, GELFUSA, & VENAFRO, 2014). As forças F1 e F1+ΔF representam os

esforços exercidos sobre o fio diamantado (MONTEIRO, 2014b).

27

Com base no diagrama de forças representado na Figura 4.1, podem ser definidas as equações

(1) e (2) que representam respetivamente as forças em jogo nos eixos x e y (TURCHETTA, POLINI,

GELFUSA, & VENAFRO, 2014; MONTEIRO, 2014b):

∑ 𝐹𝑥 = 0 <=> 𝐹1 cos 𝛼 − (𝐹1 + ∆𝐹) cos 𝛽 + 𝐹𝑎 = 0 (1)

∑ 𝐹𝑦 = 0 <=> −𝐹1 sin 𝛼 − (𝐹1 + ∆𝐹) sin 𝛽 +𝐹𝑝 + 𝐹𝐶 = 0 (2)

O fio diamantado está também sujeito a um momento torsor Cp, oriundo da torção do mesmo

antes da operação (ver 3.3.3), que é desprezável pois o seu valor é geralmente bastante baixo.

Além disso há uma força centrífuga Fc que também é desprezada devido ao facto da velocidade

periférica ser demasiado baixa para surtir algum efeito significativo no processo (TURCHETTA,

POLINI, GELFUSA, & VENAFRO, 2014).

A pressão exercida nas pérolas na zona de corte é mínima no início da zona de contacto (P1) e

máxima no fim (Pn) e é influenciada pelo raio de curvatura do arco do fio diamantado na zona de

contacto (R), pelo ângulo desse arco e pelas forças atuantes no mesmo (Figura 4.2) (TURCHETTA,

POLINI, GELFUSA, & VENAFRO, 2014). Partindo desta análise e segundo o estudo por Monteiro,

2014b, o desgaste da polia motora é superior quando o ramo bambo do fio está na zona de corte

(Figura 4.3) o que já não acontece na situação contrária (Figura 4.4).

Figura 4.1 – Forças aplicadas numa pérola diamantada durante o corte de pedra.

Fonte: MONTEIRO, 2014b, p 22

28

Figura 4.2 – Pressão exercida nas pérolas diamantadas ao longo da zona de contacto com a pedra.

Fonte: TURCHETTA, et al., 2014, p 76

Figura 4.3 – Representação esquemática de operação de corte de pedra em que a roda motora

circula o fio diamantado no sentido de aproximação da zona de corte. Fonte: MONTEIRO, 2014b, p 20

Figura 4.4 – Representação esquemática de operação de corte de pedra em que a roda motora

circula o fio diamantado no sentido de afastamento da zona de corte. Fonte: MONTEIRO, 2014b, p 21

29

Nos testes efetuados pelo protótipo de uma máquina de corte de pedra por fio diamantado de

Turchetta, et al., 2014, fios de 36 e 40 pérolas/m a uma velocidade periférica de 35 m/s (valores

recomendados por fabricantes e utilizados industrialmente) foi submetido a várias tensões (128,

144, 160 e 176 MPa) durante o corte de um bloco de granito. Após os testes verificou-se que a

produtividade do corte foi superior quando o fio estava submetido à tensão mais reduzida (128

MPa), contudo, não foi possível reduzir este valor visto que nesse caso o fio “descarrilaria” das

polias. De seguida, usando o mesmo valor de tensão foram avaliados a produtividade e o desgaste

do fio. Comparativamente com modelos de máquinas comerciais, a produtividade do protótipo foi

mais de 2 vezes superior e o desgaste foi aproximadamente igual, o que reforça a importância do

controlo da tensão do fio durante o corte.

De modo a manter uma boa produtividade, é necessário garantir que há atrito suficiente entre a

roda motora e o fio, de modo a evitar “descarrilamentos” e escorregamentos. Num estudo

conduzido por Dunda, 1998, concluiu-se que coeficiente de atrito para um desempenho ideal é de

µ=0,32.

4.3 Vibrações e ângulos de ataque do fio diamantado na pedra

As vibrações e o ângulo de ataque do fio diamantado com o bloco rochoso durante o corte foram

analisados experimentalmente em campo e em laboratório por Ozcelik e Yilmazkaya, 2011. No

estudo mediram-se as vibrações nas direções X, Y e Z como se pode verificar na Figura 4.5 em

vários ângulos de ataque (Figura 4.6), sendo Z a mais importante, visto que é a que mais afeta,

em termos de rugosidade, o acabamento superficial que é uma especificação importante da rocha

ornamental.

Figura 4.5 – Direções de medição de vibrações.

Fonte: OZCELIK e YILMAZKAYA, 2011, p 629

30

Os resultados revelaram que os valores máximos de vibrações nas direções X e Y são obtidos num

ângulo de 55º e os mínimos nos ângulos 0º e 90º (vertical e horizontal respetivamente), mas na

direção Z, os mínimos verificam-se em 0º e 25º. Contudo, no que diz respeito a valores absolutos,

as vibrações mais intensas e de maior amplitude verificam-se num corte a 90º e as menos intensas

e de menor amplitude num corte a 0º. Também se verificou que quanto maior o ângulo de ataque

do fio, maior é o desgaste das pérolas diamantadas e menor é a taxa de corte.

De acordo com o estudo por Marcon, et al., 2012, o corte horizontal é frequentemente relatado

como mais lento do que o vertical. A justificação frequente jaz no fenómeno de aquaplanagem

gerado pela acumulação de refrigerante (água) na zona de corte o que diminui o poder de corte

das pérolas. As lamas provenientes dessa acumulação também exigem um maior esforço por

parte do motor principal da máquina devido ao aumento do atrito.

Com os resultados obtidos destes estudos, pode concluir-se que, no que diz respeito ao fabrico de

produtos de rocha ornamental, a forma ideal de maximizar a produtividade, a longevidade do fio

diamantado e a qualidade do acabamento superficial é colocar o bloco a cortar numa posição que

favoreça um maior número de operações de corte na vertical.

4.4 Outros estudos e conceitos

Apesar da tecnologia do corte de pedra por fio diamantado oferecer várias vantagens em

comparação com outros métodos, tem as suas limitações. Um dos maiores inconvenientes é a

Figura 4.6 – Ângulos de ataque do fio diamantado no bloco rochoso. Fonte: OZCELIK e YILMAZKAYA, 2011, p 628

31

complexidade arquitetónica dos equipamentos, com sistemas de polias e sistemas de controlo de

tensão do fio (tensionadores) para evitar o mau funcionamento do fio (MASOOD, SILVESTRI,

ZOPPI, & MOLFINO, 2012). Como foi verificado em 4.2 a tensão no fio é o parâmetro funcional

que determina uma correta progressão do corte e caso o fio falhe (rompimento, entalamento, etc.)

é um problema grave, pois é necessário reposicionar o fio diamantado na zona de corte após a

reparação, o que é difícil e moroso. Os tensionadores passivos (como molas em eixos de polias)

são por vezes usados; contudo, não afrouxam o fio caso haja entalamentos ou encurvamentos de

modo a manter a tensão constante, e portanto a melhor opção são os tensionadores ativos que

também são os mais utilizados. Estes tensionadores são de projeto e controlo complexos e exigem

atuação mecânica e eletrónica, aumentando a complexidade da máquina (MASOOD, SILVESTRI,

ZOPPI, & MOLFINO, 2012). Um estudo por Masood, et al., 2012, defende que parte deste

problema pode ser resolvido pela “tecnologia softwire” na qual o cabo de aço do fio diamantado é

substituído por um único filamento, ou vários, feitos de uma liga superelástica (normalmente uma

liga Ni-Ti devido à disponibilidade no mercado e custo). Portanto, a maior vantagem da tecnologia

softwire, além de simplificar a arquitetura da máquina com apenas um ou alguns filamentos, é a

sua adaptabilidade às condições de corte, mantendo a tensão do fio diamantado constante sem

recorrer a tensionadores.

A Process Research Products, 2012, desenvolveu um refrigerante concentrado para corte por fio

diamantado (Figura 4.7). Este refrigerante é aplicado no esquadrejamento e corte de placas de

carboneto de silício e safira e aumenta a produtividade do fio, a precisão e o acabamento

superficial. Além disso, não faz espuma, o que permite recirculação após centrifugação. Este

refrigerante é aplicado num tipo diferente de fio diamantado (Figura 4.8), que é muito mais fino

(normalmente 0,4 mm de diâmetro mas pode alcançar 0,12 mm) que o anteriormente referido,

não tem pérolas diamantadas pois os diamantes estão impregnados no próprio fio e é usado

noutro tipo de equipamentos e aplicações mais pequenas, como o carboneto de silício e a safira

que são materiais duros e abrasivos para aplicações científicas, ou até na maquinagem de madeira

para a indústria do mobiliário (CLARK, 2001). Apesar das ferramentas e as aplicações das mesmas

serem bastante diferentes, ambas são referidas como “fio diamantado” e parece não existir uma

desambiguação apropriada.

32

Os estudos anteriores demonstraram alguma exploração do corte de pedra por fio diamantado,

contudo não foram mencionados testes noutras variações de fio diamantado. Portanto, tipos de

fio como os referidos em 3.2.2.4 devem ser testados a fim de quantificar os benefícios

(produtividade, durabilidade, etc.) que as suas configurações trazem.

Com uma base mais sólida no que toca ao conhecimento de equipamentos e processos da

tecnologia de corte de pedra por fio diamantado, pode proceder-se ao desenvolvimento de um

protótipo que seja capaz de colmatar as lacunas existentes na informação disponível.

Figura 4.7 – Refrigerante Procut da Process Research Products a ser aplicado em fio

diamantado. Fonte: Página “Diamond wire coolant” no “Processresarch.com”.

Figura 4.8 –.Vista microscópica de fio de corte com diamantes impregnados.

Fonte: CLARK, 2011, p. 3.

33

5. DESENVOLVIMENTO DO PROTÓTIPO

Um projeto de engenharia inicia-se com o reconhecimento de uma necessidade ou problema que

tem de ser cuidadosamente definido para desenvolver possíveis soluções (BIRMINGHAM,

CLELAND, DRIVER, & MAFFIN, 1997). Essas soluções são obtidas após várias etapas do projeto,

como demonstrado na Figura 5.1.

A motivação deste projeto tem origem na necessidade de aprofundamento do conhecimento no

âmbito do corte de pedra ornamental por fio diamantado que pretende fazer através do

desenvolvimento de um protótipo para realização de testes.

Figura 5.1 – Diagrama de metodologia de projeto. Fonte: SPENCE, 1988 apud MONTEIRO, 2014b”.

34

Após uma análise de mercado do setor foi possível a definição de objetivos. A necessidade e

interesse do primeiro objetivo foi óbvia: uma extensa pesquisa bibliográfica sobre a origem da

tecnologia, os métodos de corte (posições, refrigeração, velocidades e tensões do fio diamantado)

equipamentos utilizados (tipos de máquina, de fixação da rocha, de fios e de uniões dos fios) e a

informação recolhida até à data, incluindo testes e deduções. Tal como referido anteriormente, a

construção de um protótipo e a realização de testes para confirmar e, porventura, complementar

a informação reunida na pesquisa bibliográfica também foram estabelecidos como objetivos. Além

disso, também está incluída a possibilidade de investigação de novas ferramentas e materiais de

corte no seguimento dos testes, embora não sejam objetivos principais nesta fase do projeto.

O protótipo em desenvolvimento segue o conceito de máquinas de corte de pedra por fio

diamantado mais avançadas, as de 4 eixos por controlo numérico computadorizado (CNC) (como

o exemplo da máquina Poker 4 axes da Breton na Figura 3.21) pois garante uma maior gama de

formas, ou seja, uma maior gama de testes. Um sistema de polias guia o fio diamantado que é

posto em movimento num circuito fechado por uma roda motora acionada por um motor elétrico.

A forma da peça é obtida controlando o corte a partir da atuação de 4 eixos, dos quais dois serão

verticais, um será horizontal e o último rotativo (Figura 5.2). Todos os eixos serão controlados por

CNC.

Figura 5.2 – Representação esquemática do protótipo.

35

A preparação de soluções passa pela modelação 3D com apoio a software CAD, pois oferece de

forma rápida, rigorosa e de fácil compreensão o aspeto e funcionalidade de cada uma dessas

soluções até ser selecionada a mais viável. A partir desta fase a persistência é um requisito

inevitável pois é aqui que surgem limitações e negligências de configuração, de funcionalidade ou

técnicas no protótipo, logo é necessário colmatá-las. (BIRMINGHAM, CLELAND, DRIVER, &

MAFFIN, 1997)

A construção do protótipo inicia-se após a modelação da solução escolhida. Contudo está sujeita

a alterações devido a limitações e falhas encontradas durante o processo, sejam técnicas ou

logísticas. Esta fase acarreta custos e tempo, pois envolve desenho, fabrico e encomenda de

componentes bem como o próprio processo de montagem dos mesmos. Durante o processo

realizam-se também alguns testes preliminares de funcionamento a fim de se detetar alguma falha

eventualmente negligenciada. Esta fase inclui também a implementação de atuação e controlo

eletrónicos.

Após construção vem a fase de testes. Os mesmos terão apoio na pesquisa bibliográfica, e numa

etapa inicial focar-se-ão na confirmação do conteúdo dessa informação com principal destaque

para certos parâmetros envolvidos em alguma ambiguidade. Posteriormente, espera-se que com

a maturação dos testes, seja possível estabelecer parâmetros melhorados ou até novos, de modo

a otimizar o processo de corte de pedra ornamental com esta tecnologia.

5.1 Requisitos do protótipo

Os requisitos estabelecidos para o protótipo são os seguintes:

Máquina de corte de pedra por fio diamantado compacta para testes laboratoriais;

2 eixos verticais (pórtico), 1 horizontal (base) e 1 rotativo (base);

Acionamento de eixos manual e computadorizado (CNC);

Velocidade da roda motora regulável (velocidade periférica do fio regulável);

Sistema de tensionamento do fio regulável (tensionador ativo);

Sistema de polias substituíveis para guiamento de vários tipos de fio diamantado (diâmetro

e forma de pérolas, número de pérolas por metro, tipos de revestimento, etc.);

Sistema de regulação do caudal de refrigerante (caudal de água regulável);

Sistema de fixação da rocha;

36

Ferramentas de união e reparação do fio diamantado;

Segurança do equipamento e ambiente.

5.2 Modelação

Segundo o modelo escolhido e requisitos estabelecidos, foi desenvolvido um modelo

computacional (CAD) do protótipo. Além disso, os materiais e componentes disponíveis foram

considerados, o que influenciou a configuração do modelo. De notar que a construção

acompanhou a modelação o que levou a pequenas alterações e ajustes na configuração do modelo

quando algum problema ou possível melhoria eram detetados (ver Anexos XIII e XIV).

A modelação 3D do protótipo está mostrada na Figura 5.3.

5.3 Construção

5.3.1 Estrutura

Lado a lado com a modelação e mediante os meios disponíveis, o protótipo materializou-se. O

primeiro passo foi selecionar o componente básico para uma estrutura da máquina. Esse papel é

desempenhado por perfis de alumínio de secção quadrada de 50×50 mm (Figura 5.4). Graças às

ranhuras que possuem, estas barras podem ser montadas entre si (Figura 5.5) através dos

elementos de ligação (fornecidos pelo mesmo fabricante dos perfis) representados na Figura 5.6.

Figura 5.3 – Modelação do protótipo em Solidworks.

37

Para os eixos verticais y e v foram utilizadas as guias (Figura 5.7) e carros de estiradores (Figura

5.8) e a sua fixação nos perfis de alumínio foi conseguida através de elementos de fixação

fabricados nas Oficinas de Formação e Apoio (OFA) a partir de uma barra de 20 mm de largura

(Figura 5.9). A barra foi cortada em pequenos elementos com cerca de 20 mm de comprimento

e de seguida furados para obter uma rosca M6 (ver Anexo I). De seguida foram ligeiramente

esmerilados chanfros nos cantos (Figura 5.10) para facilitar a sua montagem nos perfis de

alumínio (Figura 5.11). Estes elementos estão normalizados pelo fabricante contudo, devido à sua

Figura 5.4 – Perfil de alumínio 50x50 da MayTec.

Fonte: Página “Profile group 50mm” no “MayTec.org” Figura 5.5 – Pormenor de fixação das

barras.

Figura 5.6 – Elementos de fixação (esquerda) e respetiva configuração de montagem (direita).

Figura 5.7 – Guia de estirador. Figura 5.8– Carro da guia do estirador.

Figura 5.9 – Barra de aço de 20 mm de

largura. Figura 5.10 – Elementos de fixação concluídos.

38

escassez e simplicidade foi preferível fabricá-los dado que a sua aquisição irá acarretar custos e

especialmente tempos de espera que incapacitariam a progressão da construção.

Após a montagem, o pórtico tomou a configuração mostrada na Figura 5.12.

5.3.2 Eixos

Para a movimentação linear do bloco a cortar (eixo x), foi utilizado um sistema de movimentação

linear de fuso de esferas de flange redondo (Figura 5.13). Após a montagem, pôde verificar-se que

o curso útil de cada um dos eixos verticais é de 200 mm e do eixo horizontal de 600 mm. O eixo

rotativo da mesa (eixo B) ainda não foi construído.

Para acionamento dos eixos y e v foram fabricados 2 sistemas de movimento linear. Em vez de

um fuso de esferas, cada eixo alberga um varão roscado M12 torneado nas extremidades (Figura

Figura 5.11 – Elemento de fixação no perfil.

Figura 5.12 – Pórtico com guias e carros.

Figura 5.13 – Sistema de movimento linear de fuso de esferas com bucha de flange redondo

montado no protótipo.

39

5.14), para inserção de rolamentos previamente selecionados (ver Anexo II). Na extremidade do

varão ondem foram inseridos 2 rolamentos, que impedem movimento radial e axial, foi feita uma

rosca M10 para inserção de uma porca de aperto para fixação dos rolamentos (Figura 5.15).

Para o fabrico das chumaceiras, foi utilizado acrílico como material, pois a sua maquinagem é

mais fácil e rápida (Figura 5.16) e o material é suficientemente resistente para o tipo de esforços

a que estará sujeito. As buchas foram também fabricadas em acrílico (Figura 5.17) com um núcleo

em latão para maior durabilidade e facilitar a manutenção e substituição caso haja desgaste,

poupando a necessidade de fabricar uma nova bucha. Após o fabrico, os componentes foram

montados na estrutura do protótipo (Figura 5.18).

Figura 5.14 – Torneamento e roscagem da ponta do varão roscado M12.

Figura 5.15 – Pormenor de inserção de porca de aperto nos rolamentos.

Figura 5.16 – Fresagem dos blocos de acrílico.

Figura 5.17 – Bucha do sistema de movimento

linear vertical em acrílico.

40

5.3.3 Polias guia

Inicialmente foram adotadas como polias guia rodas pertencentes a impressoras obsoletas (Figura

5.19) como solução provisória até à aquisição de polias-rolamento com sulcos para passagem do

fio de corte (Figura 5.20) (ver Anexo VI). Contudo, durante a fase de testes estas polias revelaram-

se inapropriadas para as solicitações da máquina (ver 6.1).

5.3.4 Tensionador do fio

Durante a operação da máquina é necessário garantir que o fio de corte se mantenha tensionado.

Para tal, é necessário instalar um sistema de esticamento, ou tensionador, que neste caso (e

Figura 5.18 – Sistema de movimento linear montado na estrutura do protótipo.

Figura 5.19 – Polias improvisadas.

Figura 5.20– Polias adquiridas.

41

provisoriamente) será passivo. Além de tensionar o fio, este sistema também assume o papel de

armazenamento do mesmo. A arquitetura por detrás desse armazenamento é semelhante a um

cadernal e algumas máquinas de corte de pedra por fio diamantado utilizam-no. Quantas mais

polias este sistema possuir, maior será a capacidade de armazenamento, como no caso do

equipamento representado na Figura 5.21 onde num curso de aproximadamente 1 m, 10 rolos

com 280 mm de diâmetro armazena um total de 14 m de fio diamantado (Cedima, 2010). As

polias para o guiamento do fio no tensionador, carro e veio de guiamento do mesmo são

provenientes de impressoras (Figura 5.22) e a mola para retorno do carro é proveniente de um

elevador de janela automática de uma porta de automóvel (Figura 5.23).

Num curso com 250 mm e polia de 50 mm de diâmetro, o tensionador pode armazenar até

aproximadamente 579 mm, mais do que suficiente para os 400 mm totais percorridos pelos eixos

verticais, deixando ainda uma margem de 179 mm de fio disponível para a flexão durante o

processo de corte.

Após o teste de funcionamento descrito em 5.3.5 o tensionador teve de ser submetido a

alterações: a polia guia é mais pequena, o que implica um ligeiro decréscimo no comprimento de

Figura 5.21 – Sistema de armazenamento do fio diamantado no equipamento CSA-1001 da Cedima.

Fonte: Cedima, 2010

Figura 5.22 – Carro do tensionador montado.

Figura 5.23 – Tensionador montado.

42

fio armazenável para aproximadamente 547, mm deixando uma margem de 147 mm de fio

disponível de flexão do fio durante o corte. Até à data, o principal material constituinte do carro do

tensionador era plástico, que fraturou durante o teste e teve de ser substituído por componentes

em aço montados em 2 veios de guiamento em vez de apenas 1. A estrutura também foi reforçada

com uma barra horizontal de modo a evitar a torção das barras verticais (Figura 5.24).

5.3.5 Acionamento do fio

A velocidade do fio recomendada varia consoante a aplicação. Segundo a Diamant Boart, 2008,

varia entre 25 e 35 m/s, logo o protótipo deve funcionar incluindo esta gama de velocidades. Para

o acionamento do fio, foi utilizado um motor elétrico de uma furadeira-britadeira com a transmissão

por rodas dentadas mostrada na Figura 5.25. É necessário conhecer este trem de engrenagens

para o cálculo da velocidade à saída do motor.

Figura 5.24 – Tensionador reforçado.

Figura 5.25 – Trem de engrenagens do motor elétrico.

43

Para calcular a velocidade do motor n [rpm], utiliza-se a equação (3) e a Tabela 4 (WEG, 2014).

𝑛 =120.𝑓

𝑝 (3)

Tabela 4 – Especificações do motor elétrico

Potência do motor (𝑷) 850 W

Diferença de fases do motor (𝑼) 230 V

Frequência da rede (𝒇) 50 Hz

Número de pólos do motor (𝒑) 2

Velocidade do motor elétrico (𝒏) 3000 rpm

O veio de saída do motor (veio 2) ficará acoplado à roda dentada “2” representada na Figura 5.25,

que por sua vez engrena na roda dentada 1, que é também o veio do motor elétrico (veio 1) e cuja

velocidade corresponde a 𝑛. Logo, para se saber a velocidade de rotação do veio 2 utiliza-se a

equação (4) e a Tabela 5 (MIRANDA, 2009).

𝑖 =𝑧2

𝑧1=

𝑛1

𝑛2 (4)

Tabela 5 – Valores dos fatores da equação (4)

Relação de transmissão (𝒊) 5,6

Número de dentes na roda dentada 1 (𝒛𝟏) 5

Número de dentes na roda dentada 2 (𝒛𝟐) 28

Velocidade do motor elétrico (𝒏𝟏) 3000 rpm

Velocidade à saída do motor elétrico (𝒏𝟐) 536 rpm

Sabendo que a velocidade linear do fio situa-se entre 25 e 35 m/s, é possível determinar qual o

diâmetro da polia motora. Por isso, admitindo uma velocidade na periferia da roda motora de 25

m/s e utilizando a equação (5) e a Tabela 6 para calcular o diâmetro da roda motora.

𝑣 =𝜋.𝑑.𝑛2

60<=> 𝑑 =

60.𝑣

𝜋.𝑛2 (5)

44

Tabela 6 – Valores dos fatores da equação (5) para determinar o diâmetro da roda motora

Velocidade na periferia da roda motora (𝒗) 25 m/s


Diâmetro da polia motora (𝒅) 890 mm

Este valor de diâmetro para roda motora é muito elevado e desproporcional em relação às

dimensões do protótipo, logo a roda não pode ser montada diretamente no veio 2. Por isso é

necessária uma outra roda, de menores dimensões, que terá de ser sujeita a uma relação de

transmissão, ou outra solução (ver 5.3.7.6), para poder atingir velocidades numa gama mais

alargada. A roda selecionada tem 310 mm de diâmetro (Figura 5.26).

Portanto, optando-se por uma relação de transmissão que permita uma velocidade de 25 m/s, é

necessário saber a velocidade do veio onde será montada a roda motora (veio 3) (Tabela 7).

Tabela 7 – Valores dos fatores da equação (5) para determinar a velocidade do veio da roda motora selecionada com um relação de transmissão.


Velocidade na periferia da roda motora (𝒗) 25 m/s

Velocidade no veio da roda motora (𝒏𝟑) 1540 rpm

Selecionando uma polia SPZ de diâmetro externo d2=56 mm (polia SPZ 2) (Figura 5.27) montada

no veio 3 para transmitir uma correia SPZ de 612 mm de comprimento da Optibelt (Figura 5.28)

Figura 5.26 – Roda motora de ferro fundido.

45

(Anexo VIII) e o valor de n2 o diâmetro d1 da polia (polia SPZ 1) no veio 2 será dado pela equação

(6) e a Tabela 8 (MIRANDA, 2009):

𝑖 =𝑛2

𝑛3=

𝑑2

𝑑1 (6)

Tabela 8 – Valores dos fatores da equação (6) para determinar o diâmetro da poiia SPZ 1.



Diâmetro da polia SPZ 2 (𝒅𝟐) 56 mm

Diâmetro da polia SPZ 1 (𝒅𝟏) 161 mm

Consultando o catálogo da Optibelt (Anexo VIII), o valor de diâmetro externo mais aproximado para

a polia SPZ 1 para montar no veio 2 é de 160 mm.

Numa primeira fase, para testar o funcionamento, a relação de transmissão foi de 1, o que implica

que as polias SPZ 1 e 2 têm o mesmo diâmetro (Figura 5.27) (56 mm), ou seja, 𝑛2=𝑛3=536 rpm

o que implicaria outro valor para a velocidade na periferia da roda motora (Tabela 9).

Tabela 9 – Valores dos fatores da equação (5) para determinar a velocidade na periferia da roda motora.



Velocidade na periferia da roda motora (𝒗) 8,7 m/s

Figura 5.27 – Polia SPZ de diâmetro externo 56 mm com uma garganta única da Optibelt.

Figura 5.28 – Correia SPZ de 612 mm de comprimento da Optibelt.

46

Para suportar o novo conjunto veio 3-roda motora-polia SPZ 2 é necessária uma chumaceira.

Mediante os materiais disponíveis nas OFA e a seleção dos rolamentos adequados, fabricou-se a

chumaceira. A partir de uma barra de secção quadrada de 50 mm foram cortados e facejados um

bloco de 100 mm de comprimento para a chumaceira (Figura 5.29) e dois de 20 mm para as

tampas da chumaceira (Figura 5.30). Os rolamentos selecionados para serem montados na

chumaceira foram 2 rolamentos fixos de esferas de uma pista da FAG 6004-C-2Z (Anexo VII) nos

quais apoiará o veio da roda motora.

O veio 3 foi fabricado com 2 secções com os diâmetros de 30 e 20 mm (Figura 5.31) para serem

montadas respetivamente na roda motora e nos rolamentos. No segmento com 20 mm foi feito

um sulco para a colocação de um freio (Figura 5.32), para a fixação do veio no conjunto.

Figura 5.31 – Veio da roda motora.

Figura 5.32 – Freio do veio da roda motora.

Após a furação da roda motora, o veio 3 foi montado na mesma com o auxílio da prensa hidráulica.

De seguida foi feito um furo roscado na fronteira entre o veio e a roda para a colocação de um

Figura 5.29 – Chumaceira da roda motora com rolamentos montados.

Figura 5.30 – Tampas da chumaceira do veio da roda motora.

47

parafuso de fixação para evitar o deslizamento entre os dois elementos (Figura 5.33). Por fim o

veio foi montado na chumaceira e o conjunto resultante montado no protótipo (Figura 5.34).

Considerando que a velocidade periférica tem de ser regulável (ver 5.1) de modo a realizar os

testes necessários, o sistema de regulação da mesma será levado a cargo por um inversor de

frequência. Como se pode verificar pela equação (3), a velocidade rotação (n2) do veio de saída do

motor elétrico (veio 2) pode ser controlada alterando o valor da frequência f com um inversor de

frequência. No entanto, a gama de variação da frequência deve ser o mais curta possível de modo

a não ultrapassar em demasia as especificações de funcionamento do motor. Logo, se a

transmissão mecânica aproximar o máximo possível a velocidade periférica da gama de

velocidades desejada, menor será a variação de frequência necessária, poupando o motor.

5.3.6 Fio de corte

O fio de corte usado para a realização de testes preliminares foi um fio de aço inoxidável 1x19, ou

seja, de 1 mm de diâmetro e 19 filamentos enrolados helicoidalmente (Figura 5.35) (S3i Group,

2015). O comprimento do fio para o protótipo será de 4740mm.

Figura 5.33 – Veio e roda motora montados.

Figura 5.34 – Conjunto montado no protótipo.

Figura 5.35 – Fio de aço inoxidável 1x19 helicoidal.

Fonte: Página “1x19 Stainless Steel Wire Rope 316 marine grade 1.4401 wire rope” no “S3i.co.uk”.

48

Para unir pontas de cabos de aço são por vezes usadas mangas de compressão de cobre, latão

ou alumínio (Figura 5.36). Contudo, a sua aquisição revelou-se difícil, por serem necessárias

ferramentas de compressão (Figura 5.37) próprias para o acravamento. Por isso, optou-se por se

fabricar as mangas de compressão em alumínio (Figura 5.38) e usar um alicate para acravá-las.

Após a união das pontas do fio (Figura 5.39) foram efetuados testes que revelaram que esta

solução de união das pontas não é adequada (ver 6.1), portanto foi adotado outro método.

Na indústria pesqueira utiliza-se um nó denominado nó Albright (Figura 5.40) para unir duas

pontas de fio de material e diâmetros diferentes que garante uma união forte (NetKnots.com,

2015; LeaderTec, 2013). Usando o conceito deste nó e utilizando um fio de nylon de pesca como

o fio de menor diâmetro uniram-se as pontas do fio de aço (Figura 5.41) revelando-se a solução

mais viável até à data devido à sua flexibilidade (Figura 5.42) e redução de choques, ruído e

vibrações do fio e da máquina.

Figura 5.36 – Mangas de compressão de alumínio

para cabo de aço. Fonte: Página “venda por atacado crimpagem

cabo de aço” no “aliexpress.com”.

Figura 5.37 – Ferramenta de compressão para acravamento de mangas de compressão.

Fonte: Página “venda por atacado crimpagem cabo de aço” no “aliexpress.com”.

Figura 5.38 – Mangas de compressão de alumínio fabricadas com 4 mm de diâmetro externo, 2,5

mm de diâmetro interno e 4 mm de comprimento.

Figura 5.39 – Pontas do fio de aço unidas por mangas de compressão.

49

5.3.7 Componentes a fabricar

5.3.7.1 Mesa

Sabendo que o curso útil de corte na vertical é de 200 mm (ver 5.3.2), que a largura da área de

corte é de 400 mm (Figura 5.13) e sabendo que como a mesa é redonda e rotativa o seu diâmetro

é portanto de 400 mm. Inscrevendo um bloco de granito de secção quadrada na mesa, o mesmo

fica com as dimensões 282,84x282,84x200 (Figura 5.43) pode determinar-se a força máxima a

que a mesa será sujeita a partir das equações (7) e (8) e da Tabela 10.

Figura 5.40 – Nó Albright melhorado. Fonte: Página “Improved Albrigt Knot” no

“LeaderTec.com”.

Figura 5.41 – Pontas do cabo de aço unidas por dois nós Albright.

Figura 5.42 – Pormenor da flexibilidade da união em ângulo de abraçamento acentuado.

Figura 5.43 – Bloco de granito de base quadrada inscrito na mesa (modelação em Solid Works).

50

𝑚 = ρ. V (7)

𝐹 = 𝑚. 𝑔 <=> 𝐹 = ρ. V. 𝑔 (8)

Tabela 10 – Valores dos fatores das equações (7) e (8) para determinar a força máxima aplicada na mesa

Volume máximo de rocha que pode ser colocado na mesa (𝐕) 1,6×10-2 m3

Massa volúmica da rocha de maior densidade que pode ser colocada

na mesa (𝛒 )1 2720 kg/m3

Massa máxima de rocha que pode ser colocada na mesa (𝒎) 44 kg

Aceleração da gravidade (ao nível do mar e a uma latitude de 45º) (𝒈) 9,81 m/s2

Força máxima que pode ser colocada na mesa (𝑭) 432 N

Os grampos de fixação usados em máquinas de corte de pedra por fio diamantado são grampos

comuns como no exemplo da Figura 5.44. A Figura 5.45 mostra um exemplo de fixação da rocha

numa máquina de corte de pedra por fio diamantado.

5.3.7.2 Apoio da base

Os apoios de base serão do mesmo tipo atualmente utilizado em maquinaria industrial como o

exemplo da Figura 5.46.

1 Segundo o catálogo de rochas ornamentais da Mota-Engil – Engenharia de Rochas Ornamentais, a massa volúmica (ρ) dos granitos ronda os 2700 kg/m3. O Granito Pedras Salgadas tem um valor de ρ=2720 kg/m3

Figura 5.44 Grampo de fixação roscado de

ferro fundido. Fonte: Página “Grampos tipo C” no

“classicimports.com.br”

Figura 5.45 – Exemplo de fixação de rocha por

grampos. Fonte: Página “Dario Diamond Wire Saws for Cutting

Stone – Marble – Granite” no “Timbertools.com”

51

5.3.7.3 Acionamento dos eixos

O acionamento dos eixos será feito numericamente por servo motores ou motores de passo,

devendo também possuir um controlo manual. Por isso deve ser um levantamento de quais

componentes a usar e respetiva implementação no protótipo. O mesmo será efetuado para os

outros componentes integrantes do sistema eletrónico e de comando.

5.3.7.4 Tensionador da Correia de transmissão

Um aspeto observado nos testes de funcionamento iniciais (ver 6.1) foi um ligeiro deslizamento

da correia de transmissão devido a esta não estar devidamente tensionada (Figura 5.47). Por isso,

é necessário instalar um sistema de tensionamento. O exemplo usado em motores de automóveis

é uma possível solução (Figura 5.48).

Figura 5.46 – Suporte de Fresadora CNC da Tormach.

Fonte: Página “Deluxe CNC Mill Stand” no “Tormach.com”

Figura 5.47 – Correia de transmissão incorretamente tensionada.

Figura 5.48 – Polia tensionadora da correia de transmissão no motor de um automóvel. Fonte: Página “Timing Belt Markings” no

“2carpros.com”.

52

5.3.7.5 Tensionador Ativo

Uma parte fundamental dos testes a efetuar com o protótipo é a tensão exercida no fio diamantado.

Para isso, é necessário um tensionador ativo. Segundo Masood, et al., 2012, estes componentes

possibilitam manter a tensão no fio relativamente constante, absorvendo choques e afrouxando

um pouco o fio caso haja entalamentos, o que já não acontece com o tensionador atual (passivo).

Este sistema será controlado numericamente para que seja possível ao operador selecionar a

tensão desejada para os testes.

5.3.7.6 Regulação da velocidade periférica do fio de corte.

De modo a efetuar os testes para determinação da velocidade periférica ideal do fio de corte

mediante certas condições de operação (como tipo de pedra, tipo de fio de corte, tensão no fio de

corte, etc.) é necessário que essa velocidade seja regulável. Nos testes de Jain, et al., 2013, foi

utilizado um potenciómetro e inversor para que a velocidade fosse regulável para os valores

desejados. Portanto, estes componentes terão de ser adquiridos e instalados no protótipo.

5.3.7.7 Fios diamantados e ferramentas de manutenção.

Para abranger o máximo de parâmetros a estudar, devem ser adquiridos o maior número de tipos

de fio diamantado possível, tenham eles diferentes tipos de pérolas, diâmetros, pérolas por metro,

revestimentos, etc. (ver 3.2.2 e Anexo IV). Também devem ser adquiridas as respetivas

ferramentas de manutenção dos fios diamantados para testar as diferenças de desempenho e

durabilidade de um fio novo e de um com uma ou mais emendas, de modo a estabelecer

procedimentos de trabalho mediante a quantidade e tipo de reparações feitas.

5.3.7.8 Sistema de refrigeração, reservatório de lamas abrasivas, reciclagem de água,

recirculação de água e isolamento hermético

O sistema de refrigeração usará água (Figura 5.49). O caudal deverá ser ajustável numericamente

até pelo menos ao máximo de 50l/min, o valor mais alto recomendado pela Diamant Boart, 2008.

O sistema deve conter também um reservatório para onde as lamas abrasivas serão escoadas.

Numa situação ideal, o reservatório deve ter também um sistema de filtragem/reciclagem da água

para a sua reutilização, reduzindo desperdícios, custos e impacto ambiental. Por fim, o protótipo

deve conter, especialmente nos locais em que o impacto será maior, como componentes

53

eletrónicos, sistemas de movimentação linear, polias, rolamentos, etc., isolamento hermético

(possivelmente foles) para proteção contra infiltrações de água e lamas abrasivos que pode

provocar danos catastróficos no equipamento (Figura 5.50)

No capítulo seguinte estão descritos os testes que se realizaram para verificar e melhorar o

funcionamento do protótipo, bem como os testes laboratoriais que se pretendem realizar para

análise dos parâmetros de corte de pedra.

.

Figura 5.49 – Sistema de refrigeração em máquina de corte de pedra por fio diamantado. Fonte: Página “Stone Engraving with a Diamond

Wire Saw” no “planetpookie.com”.

Figura 5.50 – Fole de proteção hermética. Fonte: Página “Thermiseal” no “dynatect.com”.

55

6. FASES DE TESTES

Neste capítulo estão descritos os testes de funcionamento que acompanharam a construção do

protótipo, a fim de verificar e melhorar o seu desempenho para as solicitações pretendidas.

Também estão listados os parâmetros que se pretendem analisar nos testes de corte de pedra

por fio diamantado, aquando da conclusão da construção do protótipo, que tiveram por base os

estudos analisados no capítulo 4.

6.1 Testes de funcionamento

A seguir estão listados, por ordem cronológica, os testes de funcionamento que acompanharam a

construção do protótipo, bem como os resultados observados e as soluções ponderadas e

aplicadas na ocorrência de problemas.

1. Teste sem fio (2s na velocidade nominal):

Observações:

Muito ruído e alguma vibração no arranque; Algum ruído e vibração em velocidade nominal; Vibrações intensas e ligeiro deslocamento na paragem.

Possíveis soluções:

Melhorar a estabilidade e robustez da base (por realizar); Verificar e eliminar folgas em componentes móveis e estáticos (aperto de parafusos nos

parafusos dos perfis de alumínio, sistemas de movimentação linear e motor elétrico).

2. Teste sem fio; 10s na velocidade nominal.

Observações:

Sem diferenças significativas em relação ao teste anterior

3. Teste com fio de aço 1x19; união das pontas do fio por mangas de

compressão; 10s na velocidade nominal.

Observações:

56

Circulação do fio acompanhou a aceleração da roda motora no arranque; Fio sofreu deslizamento na velocidade nominal circulando a baixa velocidade,

completando contudo vários ciclos; Muito ruído, vibrações intensas e ligeira deslocação da máquina.


Aumentar o atrito entre a roda motora e o fio de corte revestindo a roda com um material polimérico (de preferência borracha vulcanizada).

4. Teste com fio de aço 1x19; mesma fio com mesma união do teste 3; utilização

de câmara de ar de pneu de bicicleta para revestimento da roda motora; <5s

de funcionamento.

Observações:

Vibrações intensas Fio acompanhou a aceleração da roda motora até à rutura da câmara de ar durante o

arranque (Figura 6.1) causando descarrilamento do fio; Fio bastante danificado na zona da união (Figura 6.2), provavelmente devido a um corte

errado do fio durante a preparação (ver 3.3.3).


Substituição da roda motora por uma mais robusta. Verificação da qualidade do corte das pontas do fio antes de se proceder à união;

5. Teste com fio de aço 1x19; união das pontas do fio por mangas de

compressão; roda motora de ferro fundido; 10s na velocidade nominal.

Observações:

Figura 6.1 – Zona ruturada da câmara de ar.

Figura 6.2 – Fio danificado na zona da união.

57

Fio acompanhou aceleração da roda motora atingindo a velocidade nominal sem escorregamento;

Vibrações intensas da estrutura do protótipo; Vibrações intensas do fio na zona de corte; Fio acompanhou a desaceleração da máquina. Ruído do choque da união das pontas do fio nas polias guia; Danos ligeiros nas polias-guia (pequenas lascas) (Figura 6.3).


Reduzir as dimensões de atravancamento da união, de modo a reduzir choques e, por conseguinte, vibrações no fio e danos nas polias;

6. Teste com fio de aço 1x19; união das pontas do fio por mangas de compressão

de dimensões mais reduzidas (3,5 mm de diâmetro externo, 2 mm de diâmetro

interno e 3 mm de comprimento); roda motora de ferro fundido; ≈7s na

velocidade nominal.

Observações:

Fio acompanhou aceleração da roda motora; Vibrações intensas da estrutura do protótipo; Vibrações intensas na zona de apoio do motor; Vibrações intensas do fio na zona de corte; Ruído do choque da união das pontas do fio nas polias guia; Rutura do fio na zona da união das pontas (Figura 6.4).

Figura 6.3 – Polia guia lascada.

Figura 6.4 – Zona de rutura do fio.

58


Reforçar apoio do veio motor de modo a reduzir a sua oscilação radial e, por conseguinte, reduzir vibrações na estrutura da máquina (Figura 6.5);

Dissipar vibrações do motor para o resto da máquina colocando um apoio de borracha entre o motor e a estrutura (Figura 6.6 e Figura 6.7);

Adotar novo método de união das pontas do fio (ver Figura 5.40 em 5.3.6);

7. Teste com fio de aço 1x19; união das pontas do fio por nó de Albright

melhorado; roda motora de ferro fundido com revestimento de fita adesiva de

teflon; ≈50s na velocidade nominal.

Observações:

Figura 6.5 – Chumaceira inferior do veio motor fabricada.

Figura 6.6 – Placa de borracha para montar entre

o motor e a estrutura da máquina.

Figura 6.7 – Placa de borracha montada.

59

Fio acompanhou aceleração da roda motora; Vibrações da estrutura claramente mais reduzidas; Sem vibrações visíveis na zona de apoio do motor; Vibrações na zona de corte claramente mais reduzidas; Sem ruído aparente do choque da união nas polias; Rutura catastrófica de uma das polias (Figura 6.8).


Substituição de polias guia por outras mais robustas, mais precisamente com maior carga radial admissível.

Para selecionar um conjunto de polias apropriado para o protótipo é necessária determinar as

solicitações a que estarão sujeitas. Analisando portanto o sistema tem-se:

Para calcular as forças em jogo tem-se (SILVA, 2013):

𝐹1 −𝐹𝑐

𝐹2−𝐹𝑐 = 𝑒𝑓∝ (9)

Figura 6.8 – Roda motora revestida com fita adesiva de

Teflon para aumentar o coeficiente de atrito entre a roda e o fio de corte.

Figura 6.9 – Polia danificada. Gaiola das esferas e casquilho interior

perdidos.

Figura 6.10 – Representação esquemática da roda

motora com fio.

Figura 6.11 – Representação das forças atuantes na roda motora.

60

𝐹𝑐 = 𝜌 × 𝐴 × 𝑣2 (10)

𝑃 = (𝐹1 − 𝐹2 ) × 𝑣 (11)

De acordo com o estudo de Dunda, 1998 (ver 4.2) o coeficiente de atrito (𝑓) ideal entre o fio de

corte e a roda motora é 0,32. Para tal, o revestimento ideal da polia motora seria poliestireno.

(MSPC, 2007). Contudo, a solução disponível é fita adesiva de teflon. Portanto, o coeficiente de

atrito entre o revestimento da roda motora e o fio de aço é 0,04 (MSPC, 2007).

Sabendo finalmente que na equação (10), 𝜌 × 𝐴 representa o valor de massa por unidade de

comprimento [kg/m] do fio e que para um de aço inoxidável de 1mm de diâmetro 1x19 esse valor

é de 4,9x10-3 kg/m (S3i Group, 2015), pode então resolver-se, a partir das equações (9), (10) e

(11), o sistema de equações (12) com os valores listados na Tabela 12 (SILVA, 2013):

{

𝐹1 −𝐹𝑐

𝐹2−𝐹𝑐 = 𝑒𝑓∝

𝑃 = (𝐹1 − 𝐹2 ) × 𝑣 (12)

Portanto, a força exercida na polia guia por parte do movimento da roda motora, tal como

representado na Figura 6.12 é de 2𝐹1 , ou seja, 1140 N (Sandvik, 2000).

Tabela 11 – Valores dos fatores das equações (9), (10) e (11) e o sistema de equações (12) para determinar as forças no ramo tenso e ramo bambo do fio de corte na roda motora.

Coeficiente de atrito entre a roda motora e o fio de aço 1x19 ( 𝒇) 0,04

Ângulo de abraçamento do fio (∝) 𝟑𝝅

𝟐 rad

Massa de fio 1x19 por unidade de comprimento ( 𝝆 × 𝑨) 4,9×10-3 kg/m

Força centrífuga do fio 1x19 3,7×10-1 N

Velocidade linear do fio (𝒗) 8,7 m/s

Potência do motor (𝑷) 850 W

Força no ramo tenso (𝑭𝟏 ) 570 N

Força no ramo bambo (𝑭𝟐 ) 472 N

61

A carga radial exercida no eixo da polia motora (𝐹𝑟𝑅𝑀 ) é dada por:

𝐹𝑟𝑅𝑀 = √𝐹1 2 + 𝐹2

2 + 2 × (𝐹1 × 𝐹2 × 𝑐𝑜𝑠𝛽) (13)

Em que:

𝛽 – ângulo entre os vetores das forças 𝐹1 e 𝐹2 (90º) (Figura 6.13).

Portanto 𝐹𝑟𝑅𝑀 é aproximadamente igual a 740 N.

Num sistema de polias em circuito fechado é necessário manter o fio tensionado, e uma máquina

de corte de pedra por fio diamantado não é exceção, tal como foi referido anteriormente (ver 4.2).

No momento da rotura da polia, o tensionador estava na posição de menor tensão, que

corresponde à tensão que a flexão de montagem da mola no tensionador exerce, portanto para

calcular a força exercida pela mola (𝐹1𝑚) no momento da rutura da polia é necessário aplicar a

equação (14) com o apoio das equações (15) e (16) e da Tabela 12 (SILVA, 2004).

Figura 6.12 – Representação da força do movimento da roda motora sobre a polia guia.

Figura 6.13 – Representação dos vetores de forças do rotação do fio sobre a roda motora.

62

𝐹1𝑚 =𝑑𝑎

4×𝐺×𝑦

8×𝐾𝑊×𝐷𝑒3×𝑁

(14)

Onde:

𝐾𝑊 =4𝐶−1

4𝐶−4+

0,615

𝐶 (15)

𝐶 =𝐷𝑒

𝑑𝑎 (16)

Portanto, a força radial total exercida em cada polia guia quando a máquina está em

funcionamento na velocidade nominal e o tensionador está na posição de menor tensão (𝐹𝑟𝑇1) é

dada pela equação (17) com o resultado mostrado na Tabela 13 (Figura 6.14) (Sandvik, 2000).

2 O módulo de resistência ao corte de molas de aço ronda os 200 GPa (Ace Wire Spring & Form Company, 2005).

Tabela 12 – Valores dos fatores das equações (14), (15) e (16) para determinar a força exercida pela mola do tensionador passivo.

Diâmetro do arame da mola (𝒅𝒂) 1,5 mm

Diâmetro médio da mola (𝑫𝒆) 13 mm

Índice de mola (𝑪) 8,7

Factor de correção de Wahl (𝑲𝑾) 1,17

Módulo de resistência ao corte do material da mola2 (𝑮) 200 GPa

Número de esperas ativas na mola (𝑵) 68

Curso de flexão da mola incluindo flexão de montagem (𝒚), que

corresponde ao valor de comprimento livre (𝒍𝟎=340 mm) menos o

valor de comprimento de montagem da mola (𝒍𝟏=295 mm)

45 mm

Força exercida pela mola do tensionador passivo (𝑭𝟏𝒎) 33 N

63

𝐹𝑟𝑇1 = 2𝐹1 + 𝐹1𝑚 (17)

Segundo o fabricante (Mecanarte, 2012), a carga máxima admissível para estas polias é de 20kg.

Visto que a carga radial aplicada foi de 1173 N, ou seja, cerca de 120 kgf a polia roturou.

Contudo, deve ter-se em conta que estas condições são referentes às especificações atuais da

máquina (ver Anexo IX) e para os testes de corte de pedra (6.2) as solicitações máximas a que as

polias estarão sujeitas serão superiores. Segundo Diamant Boart, 2008, o valor máximo de

velocidade do fio diamantado para pedras mais abrasivas é de 35 m/s (valor também utilizado

nos testes de Turchetta, et al., 2014). O valor médio de massa por unidade de comprimento de

um fio diamantado com revestimento de borracha (mais pesados), é cerca 0,5 kg/m (KNN Stone,

2012). O motor elétrico que moveu o fio diamantado nos testes de Turchetta, et al., 2014 tinha

15 kW de potência. Portanto, relembrando a Figura 6.10, a Figura 6.11 e as equações (9), (10) e

(11) e o sistema de equações (12) obtêm-se os resultados das forças em jogo na roda motora

listadas na Tabela 14.

Figura 6.14 – Representação da força do movimento da roda motora e da tensão do fio exercida

pelo tensionador sobre polia guia.

Tabela 13 – Valores dos fatores da equação (17) para determinar a força radial total exercida na polia guia no momento da rotura.

Força exercida na polia por um dos ramos do fio de corte 1x19

devido ao movimento da roda motora (𝑭𝟏 ) 570 N

Força exercida pela mola do tensionador passivo (𝑭𝟏𝒎) 33 N

Força radial total exercida na polia guia no momento da rotura (𝑭𝒓𝑻𝟏) 1173

64

Segundo os testes de Turchetta, et al. 2014 (ver 4.2) os valores de tensão no fio chegaram a

atingir os 176 MPa. Portanto, a força radial exercida pelo fio na polia guia é dada pela equação

(18) com o resultado da Tabela 15.

𝜎 =𝐹𝑟𝑓

𝐴<=> 𝐹𝑟𝑓 = 𝜎 × 𝐴 (18)

Portanto, relembrando o exemplo da Figura 6.14 numa situação de máxima solicitação, as polias

guia teriam de ser dimensionadas para suportar uma carga radial (𝐹𝑟𝑚) a partir da equação (19)

com o valor mostrado na Tabela 16 (Sandvik, 2000).

𝐹𝑟𝑚 = 2𝐹1 + 𝐹𝑟𝑓 (19)

3 A área de secção fio corresponde à área de secção do cabo de aço do fio diamantado que geralmente é de 5mm de diâmetro.

Tabela 14 – Valores dos fatores das equações (9), (10) e (11) e o sistema de equações (12) para determinar as forças no ramo tenso e ramo bambo do fio de corte na roda motora nas condições de máxima solicitação.

Coeficiente de atrito entre a roda motora e o fio diamantado ( 𝒇) 0,32

Ângulo de abraçamento do fio (∝) 𝟑𝝅

𝟐 rad

Massa de fio diamantado por unidade de comprimento ( 𝝆 × 𝑨) 0,5 kg/m

Velocidade linear do fio diamantado (𝒗) 35 m/s

Força centrífuga do fio 612,5 N

Potência do motor (𝑷) 15 kW

Força no ramo tenso (𝑭𝟏 ) 1162 N

Força no ramo bambo (𝑭𝟐 ) 734 N

Tabela 15 – Valores dos fatores da equação (18) para determinar a força radial exercida pelo fio na polia guia.

Tensão exercida no fio pelo tensionador (𝝈) 176 MPa

Área de secção do fio diamantado (𝑨)3 19,6 mm2

Força radial exercida pela tensão do fio na polia guia (𝑭𝒓𝒇) 3450 N

65

A carga máxima admissível no cabo de aço (5 mm de diâmetro) transportador das pérolas

diamantadas (The Wire Rope Shop, 2015) é de 14,21 kN, logo não há risco de rotura do fio

diamantado devido à tração.

Deve notar-se que a força exercida na polia pela tensão adicional máxima do fio durante o corte

não foi contemplada, pelo que deve ser determinada empiricamente durante a fase de testes.

Como a bibliografia consultada não é esclarecedora em relação a esse valor, as polias devem ser

sobredimensionadas a fim de prevenir rotura.

Portanto, serão selecionadas as polias guia para a carga calculada a partir do manual de seleção

da Nycast, 2006 (Anexo XI). Os fios diamantados utilizados em pedreiras rondam o diâmetro de

11 mm e as estacionárias 9 mm. Existem também fios com o diâmetro de 20 mm (Anexo IV) mas

em aplicações especiais. Visto que a finalidade do protótipo é a capacidade de realização de testes

com a maior versatilidade possível, assume-se o valor de 11 mm como o valor de diâmetro de

referência para a seleção das polias, o que garante uma gama abrangente de fios e estudos

possíveis. As outras dimensões de fio diamantado que sejam acomodados por polias apropriadas,

serão deixadas para uma fase posterior. Portanto, para determinar as dimensões na Figura 6.15

utilizam-se as equações (20), (21) e (22) resultando nos valores da Tabela 17.

Tabela 16 – Valores dos fatores da equação (19) para determinar a força radial máxima exercida na polia guia.

Força exercida na polia por um dos ramos do fio diamantado devido

ao movimento da roda motora (𝑭𝟏 ) 1162 N

Força radial exercida pela tensão do fio na polia guia (𝑭𝒓𝒇) 3450 N

Força radial máxima exercida na polia guia (𝑭𝒓𝒎) 5774 N

Figura 6.15 – Representação esquemática das dimensões básicas da polia. Fonte: Nycast, 2006, p. 4.

66

𝐷𝑝

𝐷𝑟≥ 18 (20)

𝐷𝑡 = 𝐷𝑝 − 𝐷𝑟 (21)

𝐷𝑟𝑖𝑚 = 𝐷𝑡 + 2 × (1,75 × 𝐷𝑟) (22)

Apesar do valor mínimo permitido para o diâmetro do passo da polia implicar que o diâmetro da

coroa do mesmo seja de 228 mm, este valor é aceitável para a sua proporção em relação ao

protótipo.

O diâmetro mínimo recomendado para o eixo destas polias é de 1 polegada e também é

recomendado o uso de um rolamento de rolos cilíndricos. Portanto, consultando o Anexo II,

selecionou-se um rolamento com as dimensões da Tabela 18Tabela 18 – Dimensões do rolamento

de rolos cilíndricos selecionado.

4 Os valores tabelados estão representados no sistema imperial pois é o sistema utilizado neste método de cálculo. Os mesmos valores no sistema métrico estão representados à frente.

Tabela 17 – Valores dos fatores das equações (20), (21) e (22) para determinar algumas das dimensões base polia.4

Diâmetro do fio (𝑫𝒓) 𝟕𝟏𝟔⁄ in ≈11 mm

Diâmetro do passo da polia (𝑫𝒑) 𝟔𝟑𝟖⁄ in ≈200 mm

Diâmetro da bitola da polia (𝑫𝒕) 𝟏𝟏𝟗𝟏𝟔⁄ in ≈189 mm

Diâmetro da coroa da polia (𝑫𝒓𝒊𝒎) 𝟐𝟖𝟕𝟑𝟐⁄ in ≈228 mm

Tabela 18 – Dimensões do rolamento de rolos cilíndricos selecionado.

Diâmetro do furo (𝒅) 𝟏 in ≈25 mm

Diâmetro externo (equivalente ao diâmetro do furo

da polia) (𝑫𝒃) 𝟐𝟑𝟓

𝟏𝟐𝟕⁄ in ≈47 mm

Largura do rolamento (equivalente a largura da

polia em contacto com o rolamento) (𝑾𝒃)

𝟔𝟎𝟏𝟐𝟕⁄ in ≈12 mm

67

De seguida, é necessário verificar se estas dimensões para polia são indicadas para a carga a que

estará sujeita servindo-se das expressões que constam no catálogo Nycast (Anexo XI). Deve utilizar-

se como limite de capacidade de carga o resultado mais reduzido entre as cargas admissíveis na

garganta e no eixo, calculadas a partir das equações (23) e (24) com os resultados mostrados na

Tabela 19.

𝐿𝑔𝑎𝑟𝑔𝑎𝑛𝑡𝑎 = 3500 × 𝐷𝑟 × 𝐷𝑝 (23)

𝐿𝑒𝑖𝑥𝑜 = 3500 × 𝐷𝑏 × 𝑊𝑏 (24)

Portanto, a carga admissível pela polia será 1388 kg. Relembrando que a carga máxima exercida

na polia calculada é de 5626 N (Tabela 16), ou seja, aproximadamente 574 kgf, a carga admissível

pela polia dimensionada é aproximadamente 2,42 superior. Se se aumentar a carga exercida pelo

tensionador até a tensão do fio atingir os 200 MPa a carga na polia é aproximadamente 622kgf,

ou seja, menos de metade da carga admissível da polia oferecendo uma margem considerável

para os aumentos de carga provocados pelo fio diamantado durante o corte. As dimensões da

polia estão mostradas na Figura 6.16.

Tabela 19 – Valores dos fatores das equações (23) e (24) para determinar os vakores das cargas admissíveis na garganta e eixo da polia.

Diâmetro do fio (𝑫𝒓) 𝟕𝟏𝟔⁄ in ≈11 mm

Diâmetro do passo da polia (𝑫𝒑) 𝟔𝟑𝟖⁄ in ≈200 mm

Diâmetro do furo da polia (𝑫𝒃) 𝟐𝟑𝟓𝟏𝟐𝟕⁄ in ≈47 mm

Largura da polia em contacto com o rolamento (𝑾𝒃) 𝟔𝟎𝟏𝟐𝟕⁄ in ≈12 mm

Carga admissível na garganta da polia (𝑳𝒈𝒂𝒓𝒈𝒂𝒏𝒕𝒂) 11389 lbs ≈5166 kg

Carga admissível no eixo da polia (𝐿𝑒𝑖𝑥𝑜) 3060 lbs ≈1388 kg

68

6.2 Testes de corte de pedra

Tendo em conta os estudos efetuados na área do corte de pedra por fio diamantado abordados

anteriormente, os testes a efetuar após a conclusão da construção do protótipo serão os seguintes:

Segundo o estudo de Marcon, et al., 2012 a eficiência do fio diamantado aumenta com a

área de corte que se acredita que pode ser explicado pelo facto do rendimento ser inferior no início

e no fim do corte. Ou seja, com a redução do número de etapas de corte consegue-se aumentos

no rendimento. No mesmo estudo verificou-se que quantas mais pérolas estiverem em contacto

com a pedra maior é a produtividade, comprovando assim o modelo teórico de Cavazzana, 2005.

Portanto, deve ser testada a eficácia do corte consoante o número de cortes (ou etapas) para a

mesma área total de pedra a ser cortada. Também deve ser verificada a diferença da eficiência do

corte consoante o número de pérolas por metro do fio para uma dada área de corte numa única

etapa.

Os testes de Huang e Xipeng, 2013 demonstraram que as pérolas eletrodepositadas são

mais afiadas, exercendo menos 16% de força tangencial e menos 28% de força normal. A sua

produtividade chega a atingir quase o dobro, e consome até 5 vezes menos energia do que as

pérolas sinterizadas. Contudo, deve ter-se em conta que o desempenho destas pérolas deteriora-

se progressivamente, enquanto que nas sinterizadas se mantém constante (CARANASSIOS E

PINHEIRO, 2004 apud REGADAS, 2006). Logo, apesar da obtenção de resultados consumir mais

tempo e energia, comparativamente com as pérolas eletrodepositadas, as pérolas sinterizadas são

a escolha mais sensata para a realização de testes em que o tipo de pérola não é um requisito,

pois deste modo os resultados mantém-se o menos adulterados possível devido à degradação de

desempenho da ferramenta de corte.

Figura 6.16 – Representação esquemática da polia dimensionada.

69

No estudo de Turchetta, et al., 2014 posteriormente analisado por Monteiro, 2014b

analisaram-se as forças em jogo nas pérolas do fio diamantado durante o corte, tendo em conta a

curvatura do fio. No estudo foram usados fios de 36 e 40 pérolas/metro à velocidade de 35 m/s

e concluiu-se que a produtividade foi mais alta quando o fio estava tensionado a 128MPa. Abaixo

desse valor ocorreu descarrilamento do fio, logo não foi possível determinar se a produtividade

será ainda maior se esse valor for ainda mais baixo. Além disso, a velocidade de corte permaneceu

inalterada. Contudo, no estudo por Jain, et al., 2013, concluiu-se que para o corte de mármore as

velocidades que possibilitam taxas de corte e desgaste das pérolas ideais situam-se entre os 27

m/s para mármores de baixa dureza, 28 m/s para mármores de média dureza e 29 m/s para

mármores de alta dureza, que quanto maior for a tensão aplicada no fio, maior será a produtividade

(embora só tenham sido testados 3 valores de tensão no fio). A granulometria, valor quantitativo

da dureza do mármore, potência da máquina, valor do caudal de água e ângulo de corte (todos os

testes efetuados com o fio disposto na vertical) não foram contemplados (MONTEIRO, 2014b). Os

granitos também não foram testados. Portanto é necessário testar o corte quando o fio se encontra

submetido a vários valores de tensão e de velocidade periférica, visto que não há um consenso

em relação ao aumento da produtividade com um aumento ou decréscimo da tensão exercida no

fio, logo é necessário determinar uma gama de tensões ideais de corte tendo em conta a

velocidade periférica do fio e tipo de rocha usados. Neste grupo de testes deve também

estabelecer-se valores quantitativos fixos de dureza do mármore ou granito, valor do caudal de

água e ângulo de corte podendo posteriormente por sua vez ser testados outros valores destes

parâmetros após a obtenção de resultados conclusivos e quantitativos sobre tensão (incluindo

variações durante o corte) e velocidade do fio.

Em relação às vibrações e orientação do corte, os testes de Ozcelik e Yilmazkaya, 2011

provaram que a eficiência do corte e durabilidade do fio são superiores e as vibrações são mais

reduzidas quando a operação é realizada na vertical. Marcon, et al. 2012 concluíram com o seu

estudo que esse facto se deve à acumulação de lamas abrasivas na posição horizontal sujeitando

o fio a aquaplanagem. Logo, para maximizar a vida do fio e reduzir o tempo de duração dos testes,

os mesmos devem ser efetuados com cortes na vertical, caso essa orientação não entre em conflito

com a natureza do teste.

O refrigerante a ser usado nos testes será, como referido anteriormente, água. Segundo

Ayim, 2011, o caudal insuficiente aumenta o desgaste das pérolas e do fio, podendo até causar

70

rotura do fio. O caudal excessivo reduz a taxa de corte, provoca ruído e claro desperdício de água.

Os fabricantes de fios diamantados e máquinas de corte recomendam valores de caudal, contudo

são vagos como o exemplo da Diamant Boart, 2008 que recomenda para cabos de pérolas

eletrodepositadas um “caudal restrito” entre os 10 e 20 l/min e para cabos com pérolas

sinterizadas um “caudal normal” entre 20 e 50 l/min. Portanto, é necessário estabelecer os

valores de caudal mediante o tipo de fio, tipo de pedra e velocidade periférica do fio.

Após os testes com fios diamantados de pérolas sinterizadas e eletrodepositadas, devem

ser feitos testes com os outros tipos de fios (formas e tipos de revestimentos e formas das pérolas)

(ver 3.2.2 e Anexo IV).

O refrigerante alternativo da Process Research Products, 2012 pode ser uma

possibilidade. Pode ser efetuado um teste simples para comparar a sua eficácia no corte em

relação a àgua. Deve também ser feito um estudo se é economicamente viável e qual o seu

impacto ambiental.

Os testes acima listados são o “motor” que motiva este projeto e para que venham a ser realizados,

têm de ser realizados outros trabalhos que assegurem o seu sucesso.

71

7. PROPOSTAS DE TRABALHOS FUTUROS

Tal como referido anteriormente, o protótipo ainda não está em condições para realizar os testes

de corte de pedra, mas já foram dados passos para que seja possível mais rapidamente. Nos

Anexos IX e X estão listadas respetivamente algumas das especificações técnicas atuais e

pretendidas no protótipo, havendo assim uma base de comparação para que facilite a abordagem

para atingir os requisitos de desempenho da máquina.

O desenvolvimento de controlador CNC será essencial para controlar a operação da máquina e o

desempenho do corte bem com a obtenção de resultados. Esta área é de especial importância

visto que atualmente as máquinas CNC para transformação de Pedra ornamental construídas em

Portugal estão dependentes da componente de comando que é importada de Itália, por isso este

seria o primeiro passo para aumentar a independência nacional nesta vertente.

Para garantir uma operabilidade ágil, rigorosa e segura do equipamento, deve ser realizado um

manual de operação da máquina com os passos que se devem tomar no sentido de melhorar a

obtenção de resultados.

Além do manual de operação, deve ser realizado outro – o manual de manutenção. Este manual

deve conter os passos que se devem tomar para troca, reparação e limpeza de ferramentas e

componentes. Desta forma, na eventualidade de surgirem problemas durante a operação do

equipamento, o tempo e custo de manutenção serão consideravelmente reduzidos.

Após estes trabalhos podem então proceder-se à realização dos testes de corte de pedra listados

em 6.2.

73

8. CONCLUSÃO

O fio diamantado tem vindo a ser cada vez mais utilizado devido à sua superioridade como

ferramenta de corte de pedra. Comparando com outros métodos, o corte de pedra por fio

diamantado oferece maior velocidade de corte, flexibilidade, exatidão e acabamento. Esta técnica

gera menos resíduos, poluição, vibração e ruído, que por sua vez garantem melhores condições

de trabalho. Além disso, garante menores custos de investimento e de manutenção, mão de obra

reduzida e a ferramenta de trabalho é facilmente substituída ou reparada, na maioria dos casos

localmente.

Devido à ausência de um modelo estruturado de procedimentos e parâmetros no corte por fio

diamantado, por vezes, alguma da informação no assunto é contraditória ou ambígua. Os

parâmetros influentes na eficiência são também eles ambíguos devido à falta de consenso entre

autores acerca de quais (parâmetros controlados) são relevantes ou não. Também há uma falta

de distinção entre fios diamantados, com e sem pérolas (bastante diferentes em tamanho e

aplicação), sendo ambos referidos como “fio diamantado” (“diamond wire”) ou “serra de fio

diamantado” (“diamond wire saw”) e apesar de alguns autores se referirem ao tipo de fio sem

pérolas como “fio diamantado de rolo” (“spool diamond wire”), a maioria dos estudos sobre estes

últimos são referidos como “fio diamantado”. Portanto, muita (mas não toda) da informação sobre

estes “fios diamantados de rolo” não tem relevância para o presente estudo e foi descartada.

Portanto, é imperativo levar a cabo um estudo detalhado sobre esta tecnologia para estabelecer

uma base de dados de conhecimento. O artigo científico enviado e aceite pelo congresso

internacional COBEM 2015 no Brasil (ver Anexo XVI) que teve por base o presente projeto,

esperançosamente contribuirá para que esse conhecimento venha a ser estabelecido. O

desenvolvimento de um protótipo laboratorial permitirá avanços na padronização do processo de

corte, juntamente com uma posterior otimização e melhoria do próprio equipamento e

ferramentas. Esta valorização de equipamentos, processos e produtos, juntamente com a posição

privilegiada de Portugal no setor da pedra ornamental e a relação económica, empresarial e

académica com o Brasil, demonstram enorme potencial e devem ser explorados, alicerçando

assim a competitividade portuguesa no mercado mundial.

75

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81

ANEXO I – ROSCAS MÉTRICAS ISO 724: 1993

Fonte: Página “Threads – Metric ISO 724” no “The Engineering ToolBox”.

82

ANEXO II – EXTRATOS DA TABELA DE SELEÇÃO DE ROLAMENTOS FAG

Rolamentos FAG fixos de esferas Fonte: FAG, 2012a, p.1542 155.

83

Rolamentos FAG de rolos cilíndricos Fonte: FAG, 2012a, p.2762 277.

84

ANEXO III – ESCALA GRANULOMÉTRICA (MESH) ISO 3310-1:2000

Fonte: Página “Understanding mesh sizes” no “Espi Metals”

85

ANEXO IV – TIPOS DE FIO DIAMANTADO DA DIAQUIP DIAMOND

Fonte: Diaquip Sales & Service, 2004, p. 162.

86

ANEXO V – NÚMERO DE VOLTAS DE TORÇÃO A DAR NO FIO

DIAMANTADO, DEPENDENDO DO SEU COMPRIMENTO E DO NÚMERO DE

UNIÕES.

Fonte: Diaquip Sales & Service, 2004, p. 7.

87

ANEXO VI – POLIA-ROLAMENTO 30.08.000/ZGR/9-5 PR

Fonte: Página “283005 - Rolamento 30.08.000/ZGR/9-5 PR” no “extranet.mecanarte.pt”,

88

ANEXO VII – EXTRATO DA TABELA DE SELEÇÃO DE ROLAMENTOS FIXOS DE ESFERAS FAG GERAÇÃO C

Fonte: FAG, 2012b, p.8-9.

89

ANEXO VIII –EXTRATO DA TABELA DE SELEÇÃO DE POLIAS SPZ DA

OPTIBELT

Fonte: Optibelt, 2008, p. 91.

90

ANEXO IX – ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS ATUAIS DO PROTÓTIPO

Potência do motor da roda motora 850 W

Dimensões de atravancamento do espaço de corte 282,84x282,84x200 mm

Comprimento do fio de corte 4740 mm

Velocidade linear do fio de corte 8,7 m/s

Capacidade de armazenamento de fio 579 mm

Margem de fio disponível para flexão durante o corte 179 mm

Carga mínima exercida pelo tensionador passivo 33 N

Carga máxima exercida pelo tensionador passivo 4 N

Carga máxima admissível na mesa -

Potência nos eixos verticais (y e v) -

Potência no eixo horizontal (x) -

Potência no eixo rotativo (B) -

Caudal de água -

91

ANEXO X – ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS PLANEADAS PARA O PROTÓTIPO

Potência do motor da roda motora 15000 W

Dimensões de atravancamento do espaço de corte 282,84x282,84x200 mm

Comprimento do fio de corte 4740 mm

Velocidade linear do fio de corte 0 - 35 m/s

Capacidade de armazenamento de fio 579 mm

Margem de fio disponível para flexão durante o corte 179 mm

Carga mínima exercida pelo tensionador ativo 0 N

Carga máxima exercida pelo tensionador ativo 6100 N

Carga máxima admissível na mesa 44 kg (432 N)

Potência nos eixos verticais (y e v) -

Potência no eixo horizontal (x) -

Potência no eixo rotativo (B) -

Caudal de água 0-50 l/min

92

ANEXO XI – EXTRATO DO CATÁLOGO DE DIMENSIONAMENTO DE

POLIAS DA NYCAST

96

ANEXO XII – ESBOÇOS PARA O FABRICO DE COMPONENTES

Furos nos carros dos eixos verticais para fixação de polias (em cima) e placa de apoio do motor na estrutura do protótipo (em baixo).

97

Furos nos carros dos eixos verticais para fixação de barra do fuso (em cima) e chumaceira inferior do fuso vertical (em baixo).

98

Furos nas chumaceiras superiores dos fusos dos eixos verticais para fixação na estrutura da máquina

99

Furos nas chumaceiras dos fusos dos eixos verticais para fixação das tampas de fixação dos rolamentos.

100

Carro do fuso vertical (em cima) e tampa da chumaceira dos fusos dos eixos verticais (em baixo)

101

Barra de fixação do carro do fuso dos eixos verticais no carro com as polias guia.

102

Cantoneira da estrutura (em cima) e bucha do carro do fuso do eixo vertical (em baixo)

103

Cantoneiras para fixação de polias guia.

104

Placa de fixação da estrutura de apoio ao motor elétrico (em cima) dimensões do corpo superior do motor elétrico (em baixo)

105

Cantoneiras para fixação de polias guia.

106

Veio de saída do motor elétrico (em cima) e veio da roda motora (em baixo).

107

Tampa da chumaceira do veio da roda motora (em cima) e roda motora (em baixo).

108

ANEXO XIII – MODELAÇÃO DO PROTÓTIPO

109

ANEXO XIV – MODELAÇÃO DE APOIO À CONSTRUÇÃO DO PROTÓTIPO

110

ANEXO XV – FOTOGRAFIA DO PROTÓTIPO (NO ESTADO ATUAL)

111

ANEXO XVI – ARTIGO ENVIADO E ACEITE PELO COBEM2015

Desenvolvimento de um Protótipo Didático de uma Máquina de...

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