INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE...

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE

GOIÁS

ÁREA: MÁQUINAS DE USINAGEM E CONFORMAÇÃO

CURSO: BACHARELADO EM ENGENHARIA MECÂNICA

AUTOMATIZAÇÃO DO MOVIMENTO DE AVANÇO NO

PROCESSO DE FURAÇÃO EM UMA MÁQUINA OPERATRIZ

ELIAS RAIH FERREIRA DE MORAES

FERNANDO GOBBI PAIXÃO

Prof. Dr. LUIZ CARLOS DA SILVA - Orientador

TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO

GOIÂNIA : FEVEREIRO / 2015

iii

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE GOIÁS

ÁREA: MÁQUINAS DE USINAGEM E CONFORMAÇÃO

DEPARTAMENTO DE ÁREAS ACADÊMICAS IV

COORDENAÇÃO DE MECÂNICA

AUTOMATIZAÇÃO DO MOVIMENTO DE AVANÇO NO PROCESSO DE

FURAÇÃO EM UMA MÁQUINA OPERATRIZ

ELIAS RAIH FERREIRA DE MORAES

FERNANDO GOBBI PAIXÃO

TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO

SUBMETIDO AO DEPARTAMENTO IV,

COORDENAÇÃO DE MECÂNICA DO

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO,

CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE GOIÁS, COMO

PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA

OBTENÇÃO DA GRADUAÇÃO EM

ENGENHARIA MECÂNICA.

APROVADA POR :

______________________________________

Luiz Carlos da Silva, Dr. , IFG

(ORIENTADOR)

______________________________________

Vinícius Carvalhaes, Msc., IFG

(EXAMINADOR INTERNO)

______________________________________

Jorge Marques dos Anjos, Msc., IFG

(EXAMINADOR EXTERNO)

DATA : GOIÂNIA, 24 de FEVEREIRO de 2014

iv

REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA

MORAES, E. R. F.; PAIXÃO, F. G. (2015). Automatização do Movimento de Avanço no

Processo de Furação em uma Máquina Operatriz. Dissertação de Graduação, Departamento

de Áreas Acadêmicas IV, Coordenação de Mecânica, Instituto Federal de Goiás, Goiânia,

Goiás.

CESSÃO DE DIREITOS

NOME DOS AUTORES:

Elias Raih Ferreira de Moraes

Fernando Gobbi Paixão

TÍTULO DA MONOGRAFIA DE CONCLUSÃO DE CURSO: Automatização do

Movimento de Avanço no Processo de Furação em uma Máquina Operatriz

GRAU / ANO: <GRADUADO> / <2015>

É concedida ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnológica de Goiás permissão

para reproduzir cópias deste Trabalho de Conclusão de Curso e para emprestar ou vender

tais cópias somente para propósitos acadêmicos e científicos. O autor reserva outros direitos

de publicação e nenhuma parte deste trabalho pode ser reproduzida sem a autorização por

escrito do autor.

________________________________________

Elias Raih Ferreida de Moraes

Rua CC3 QD. 06 LT. 19 Residencial Carla Cristina

74471-020 – Goiânia / GO – Brasil.

________________________________________

Fernando Gobbi Paixão

Rua Los Angeles QD. 84 LT. 15 Jardim Novo Mundo

74713-290 – Goiânia / GO – Brasil.

v

“A todos os nossos familiares e a

todas as pessoas que nos apoiaram e

incentivaram durante todo o curso e na

elaboração desta monografia.”

vi

AGRADECIMENTOS

A Deus por ter nos dado saúde e força para superar as dificuldades.

Ao Instituto Federal de Goiás pela oportunidade de estar realizando este curso.

Ao professor Luiz Carlos da Silva pelo incentivo durante a orientação deste trabalho.

A todos os colegas de turma que colaboraram durante a realização deste trabalho, em

especial ao colega Matheus Oliveira pela ajuda na manipulação dos dados gerados no

experimento.

Aos nossos pais, pelo amor, incentivo e apoio incondicional.

A todos que de alguma forma contribuíram para a realização deste trabalho.

vii

MORAES, E. R. F.; PAIXÃO, F. G. Automatização do Movimento de Avanço no

Processo de Furação em uma Máquina Operatriz. 2015. Dissertação de Graduação,

Departamento de Áreas Acadêmicas IV, Coordenação de Mecânica, Instituto Federal de

Goiás, Goiânia, Goiás.

RESUMO

O presente trabalho consiste no desenvolvimento de um equipamento que possibilite

o movimento de avanço automático em uma máquina operatriz. Foi utilizado a combinação

pneumática e hidráulica para promover esse movimento automático em uma furadeira de

bancada do laboratório de usinagem do Instituto Federal de Goiás. O equipamento projetado

consiste de um cilindro pneumático convencional e um Hydro-check, um tipo de cilindro

hidráulico especial. Com esse equipamento acoplado à furadeira, a força de avanço pode ser

constante promovendo também um movimento constante. A força de avanço foi analisada

utilizando um dinamômetro variando os parâmetros do processo (velocidade de corte,

material, diâmetro de broca). O equipamento mostrou-se eficiente em manter a força

constante durante o processo de furação, com pequenas variações durante os ensaios de

força. Estas variações podem ser corrigidas com pequenas alterações no equipamento.

Palavras-chave: Automatização, Furadeira de Bancada, Hydro-check, Pneumática,

Hidráulica, Medição de Forças, Dinamômetro.

viii

MORAES, E. R. F.; PAIXÃO, F. G. Automation of the Forward Movement in the

Drilling Process on a Tool Machine . 2015. Graduations Thesis, Academic

Department IV, Mechanic Coordenation, Federal Institute of Goiás, Goiânia, Goiás.

ABSTRACT

This composition consists on the development of an equipment, which makes possible

the automatic forward movement of an operating tool machine. It was utilized both

pneumatic and hydraulic approaches to promote such movement on a bench driller at the

machining laboratory of Federal Institute of Goiás. The designed equipment involves a

conventional pneumatic cylinder and a Hydro-check, a special type of hydraulic cylinder.

Once this device is engaged to the driller, the forward force can be set as constant also

promoting a constant movement. The machining force was analyzed with a dynamometer at

different parameters (machining velocity, machined material, drill diameter). The equipment

was efficient withholding a constant forward force during the drilling process, with small

value fluctuations during the machining force tests. These fluctuations can be corrected with

the application of minimum changes on the equipment.

Keywords: Automation, Bench Drill, Hydro-check, Pneumatics, Hydraulics, Force

Measurement, Dynamometer.

ix

ÍNDICE

INTRODUÇÃO 1

- OBJETIVOS DO TRABALHO 4

1.1.1.- Objetivos Gerais 4

1.1.2.- Objetivos Específicos 4

- JUSTIFICATIVA 4

- APRESENTAÇÃO DO TRABALHO 5

FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 6

- PNEUMÁTICA 6

2.1.1.- Produção de Ar Comprimido 7

2.1.2.- Sistema de Distribuição 10

- HIDRÁULICA 11

2.2.1.- Fluido Hidráulico 12

2.2.2.- Reservatório Hidráulico 12

2.2.3.- Resfriadores 13

2.2.4.- Filtros 13

2.2.5.- Mangueiras 14

2.2.6.- Bombas Hidráulicas 14

2.2.7.- Válvulas Reguladoras de Pressão 15

- ATUADORES PNEUMÁTICOS E HIDRÁULICOS 16

2.3.1.- Cilindros 16

2.3.2.– Força Desenvolvida por um Cilindro 18

- VÁLVULAS DIRECIONAIS 19

2.4.1.- Número de Posições 19

2.4.2.- Número de Vias 19

2.4.3.- Posição Normal 20

2.4.4.- Tipo de Acionamento 20

- FURADEIRAS E PROCESSO DE FURAÇÃO 20

2.5.1.- Introducão à furação 20

x

2.5.2.- Partes de furadeiras 21

2.5.3.- Tipos de furadeiras 22

2.5.4.- Principais tipos de Brocas 23

2.5.5.- Forças e Potência de Corte no Processo de Furação 25

- MEDIÇÃO DE FORÇAS NA USINAGEM 30

- MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS 31

PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS 32

- RELAÇÃO DE EQUIPAMENTOS E MATERIAIS 32

- PROJETO DO SISTEMA DE AVANÇO AUTOMÁTICO 33

3.2.1.- Projeto do Hydro-check 34

3.2.2.– Fixação dos Cilindros 35

3.2.3.– Circuito Hidro-pneumático 38

- MONTAGEM DO SISTEMA DE AVANÇO AUTOMÁTICO 38

3.3.1.- Montagem do Hydro-check 38

3.3.2.- Sistema de Acionamento 39

3.3.3.– Instalação dos Componentes na Furadeira 40

- TESTE DE FUNCIONALIDADE 40

- MEDIÇÃO DA FORÇA DE AVANÇO UTILIZANDO O DINAMÔMETRO 40

RESULTADOS 44

- FUNCIONALIDADE DO SISTEMA DE AVANÇO AUTOMÁTICO 44

- RESULTADOS E ANÁLISES DOS ENSAIOS DE FORÇA 45

4.2.1.- Ensaio 1 45

4.2.2.- Ensaio 2 49

4.2.3.- Ensaio 3 53

4.2.4.- Ensaio 4 56

4.2.5.– Comparação dos Ensaios 60

CONCLUSÕES 61

- SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS 62

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 63

A – PROGRAMA PARA TRATAMENTO DOS DADOS GERADOS PELO

DINAMÔMETRO 66

xi

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1.1 - Furadeira de Bancada MELLO (Elaborado pelo Autor) 2

FIGURA 1.2 – Furadeira de Duplo Cabeçote Semi-automática FDS-1300 (CrisMach, [20--

?]) 3

FIGURA 1.3 – Furadeira FU-8 (EngeAutomatiza, [20--?]) 3

FIGURA 2.1 - Compressor de Pistão (Blog do Professor Carlão, 2009) 8

FIGURA 2.2 – Reservatório Pneumático (Ebah, [20--?b]) 9

FIGURA 2.3 - Tubulações Primária e Secundária (Adaptado de: (Ebah, [20--?a])) 11

FIGURA 2.4 – Reservatório Hidráulico (Parker, 1999) 13

FIGURA 2.5 – Bombas Hidráulicas (Agm, [20--?]) 15

FIGURA 2.6 – Cilindro de Simples Efeito (Parker, 1999) 16

FIGURA 2.7 - Cilindro de Duplo Efeito (PARKER, 1999) 17

FIGURA 2.8 - Partes do Hydro-Check (Raoli, [20--?]) 18

FIGURA 2.9 – Simbologia Hydro-check (Parker, 2000) 18

FIGURA 2.10 – Representação do Número de Posições (Parker, 1999) 19

FIGURA 2.11 – Representação do Número de Vias (Parker, 1999) 19

FIGURA 2.12 - Partes de uma furadeira (Adaptado de: (Ustudy, [20--?])) 21

FIGURA 2.13 - Furadeira de bancada (a esquerda); Furadeira radial (a direita) (Adaptado

de: (Ruflav, [20--?]); (AtlasMaq, [20--?])) 22

FIGURA 2.14 - Furadeiras de múltiplas árvores (Adaptado de: (AutoDrill, [20--?]); (Sepeoli,

[20--?])) 23

FIGURA 2.15- Partes de uma Broca Helicoidal (Adaptado de: (Diniz et al., 2006)) 23

FIGURA 2.16 - Broca de Centro (Sumiko, [20--]) 24

xii

FIGURA 2.17 – Brocas com Dentes Postiços (Adaptado de: (Sandvik, [20--?])) 24

FIGURA 2.18 – Brocas Canhão (Sandvik, [20--?]) 24

FIGURA 2.19 – Brocas com Furos para Refrigeração (Sandvik, [20--?]) 25

FIGURA 3.1 - Furadeira de Bancada com Avanço Manual (Elaborado pelo Autor) 33

FIGURA 3.2 - Furadeira de Bancada com Avanço Automático (Elaborado pelo Autor) 33

FIGURA 3.3 – Cilindros de Duplo Efeito (Fotografado pelo Autor) 34

FIGURA 3.4 – Cilindro de Simples Efeito (Fotografado pelo Autor) 34

FIGURA 3.5 – Projeto do Hydro-check (Elaborado pelo Autor) 35

FIGURA 3.6 – Chapas de Fixação dos Cilindros (Elaborado pelo Autor) 35

FIGURA 3.7 – Chapa de Fixação Cone Morse (Elaborado pelo Autor) 36

FIGURA 3.8 – Chapa de Fixação da Lateral da Furadeira (Elaborado pelo Autor) 36

FIGURA 3.9 – Análise de Deslocamentos e Tensões da Chapa de Fixação do Cone Morse

(Elaborado pelo Autor) 37

FIGURA 3.10 – Análise de Deslocamentos e Tensões da Chapa de Fixação da Lateral da

Furadeira (Elaborado pelo Autor) 37

FIGURA 3.11 – Diagrama Hidro-pneumático (Elaborado pelo Autor) 38

FIGURA 3.12 – Hydro-check (Fotografado pelo Autor) 39

FIGURA 3.13 – Sistema Pneumático de Acionamento (Fotografado pelo Autor) 39

FIGURA 3.14 – Hydro-check Instalado na Furadeira de Bancada (Fotografado pelo Autor)

40

FIGURA 3.15 - Sistema simplificado de montagem da medição de força. (Elaborado pelo

Autor) 41

FIGURA 3.16 – Fixação do Dinamômetro (Elaborado pelo Autor) 41

FIGURA 3.17 – Corpos de Prova Utilizados nos Ensaios (Fotografado pelo Autor) 42

FIGURA 3.18 – Sistema de Medição de Forças (Fotografado pelo Autor) 43

xiii

FIGURA 4.1 – Primeiro teste de Furação (Fotografado pelo Autor) 44

FIGURA 4.2 – Ensaio 1 – 1ª Réplica (Elaborado pelo Autor) 46


FIGURA 4.4 – Deposição de Material na Aresta de Corte (Fotografado pelo Autor) 48




FIGURA 4.8 - Ensaio 2 – 3ª Réplica (Elaborado pelo Autor) 52







xiv

LISTA DE TABELAS

TABELA 2.1 - Momento Torsor e Força de Avanço (Diniz et al., 2006) 26

TABELA 2.2 - Coeficientes C1, x1 e y1 da equação de Kronenberg para obtenção do

momento torsor na furação em cheio (Diniz et al., 2006) 27

TABELA 2.3 - Coeficientes C2, X2 e Y2 da equação de H. Daar para obtenção da força de

avanço na furação em cheio (Diniz et al., 2006) 28

TABELA 2.4 - Coeficientes C3, 1-z3 e x3 da equação de H. Daar para obtenção do momento

torsor na furação com pré-furação (Diniz et al., 2006) 29

TABELA 2.5 - Coeficiente da equação de H.Daar para obtenção da força de avanço na

furação com pré-furo (Diniz et al., 2006) 30

TABELA 4.1 – Força de Avanço Média dos Ensaios Realizados (Elaborado pelo Autor) 60

xv

LISTA DE SÍMBOLOS, NOMENCLATURAS E ABREVIATURAS

L/D Razão Comprimendo – Diâmetro

Mt Momento Torsor

Ff Força de Avanço

f Avanço por Volta (mm/volta)

F Força

P Pressão

A Área

N Coeficiente de Segurança

𝜎y Tensão de Escoamento

𝜎t Tensão de Trabalho

1

INTRODUÇÃO

Os fluidos sob pressão passaram a ter sua aplicação dentro dos ambientes industriais a

partir da Segunda Guerra Mundial (Fialho, 2008). São divididos basicamente em dois

grupos, com aplicações bem parecidas, que muitas vezes podem ser encontrados compondo

uma mesma máquina. São eles: a pneumática e a hidráulica. Enquanto na pneumática utiliza-

se o ar comprimido como fluido de trabalho, na hidráulica é utilizado o óleo hidráulico.

A pneumática tem se tornado indispensável na indústria, sendo bastante utilizada na

automação de processos. O custo do investimento inicial e de manutenção do sistema

pneumático é relativamente baixo, porém nos processos que necessitam de maior controle

das variáveis, como por exemplo a usinagem, dado a necessidade de movimentos uniformes

e com precisão, o ar comprimido não é uma fonte atrativa devido a sua compressibilidade

natural. Para tais situações a hidráulica proporciona um melhor controle em movimentos de

avanço, diminuindo vibrações e variação de força requerida.

O estudo da hidráulica explora as propriedades mecânicas de um fluido para a

construção de sistemas que conseguem executar trabalhos mecânicos pesados e com

precisão. Os sistemas hidráulicos oferecem potência com controle preciso e versatilidade.

São amplamente utilizados na construção civil, agricultura e indústria fabril. Tratores,

guindastes, escavadoras e todos esses tipos de máquinas pesadas se utilizam de sistemas

hidráulicos.

A aquisição de um sistema hidráulico gera um investimento inicial muito alto, além

disso, também são elevados os custos de manutenção posteriores que o equipamento irá

gerar. É necessário adquirir todo um conjunto de equipamentos que engloba vários

elementos (motor, bomba, filtros, reservatório, válvulas, conexões, entre outros) que são

relativamente caros. Tendo isso em mente e levando em consideração que na maioria das

indústrias e empresas ligadas a área da mecânica se tem um sistema de geração de ar

comprimido já implantado, torna-se possível a utilização do Hydro-check, um cilindro

hidráulico utilizado em conjunto com um cilindro pneumático para se obter velocidades

controladas de avanço em máquinas operatrizes, com rápido retorno da ferramenta. O

2

Hydro-check é uma unidade compacta e de baixo custo que sana o problema da rápida

expansão do ar comprimido, atuando como uma frenagem hidráulica (Parker, 2000).

Neste trabalho serão implementados um cilindro pneumático e o Hydro-check em uma

furadeira de bancada que se encontrava inoperante no Laboratório de Usinagem do Instituto

Federal de Goiás. A furadeira a ser utilizada é da marca MELLO (nº 3452 com 5 velocidades

para brocas de até 5/8”) e é mostrada na Figura 1.1. O sistema de avanço manual será

removido e implantado este sistema automático para promover um corte mais preciso.

FIGURA 1.1 - Furadeira de Bancada MELLO (Elaborado pelo Autor)

Algumas empresas utilizam o Hydro-check na automação de furadeiras automáticas e

semi-automáticas. A furadeira mostrada na Figura 1.2 é uma furadeira de duplo cabeçote

semi-automática (MOD. FDS-1300) indicada na furação de vidro de várias espessuras que

utiliza o Hydro-check. A Crismach, empresa que comercializa este modelo, garante

velocidade de perfuração controlada proporcionada pelo cilindro hidráulico especial. Outro

modelo de furadeira é a Furadeira FU-8 mostrada na Figura 1.3, comercializada pela

EngeAutomatiza, que produz o equipamento utilizando também o Hydro-check.

3

FIGURA 1.2 – Furadeira de Duplo Cabeçote Semi-automática FDS-1300 (CrisMach, [20--

?])

FIGURA 1.3 – Furadeira FU-8 (EngeAutomatiza, [20--?])

Embora tem-se várias aplicações práticas deste componente (Hydro-check), não existe

um estudo avaliando a verdadeira eficácia do equipamento analisando os parâmetros

envolvidos no processo de furação.

4

- OBJETIVOS DO TRABALHO

1.1.1. - Objetivos Gerais

Confeccionar um equipamento hidropneumático que possibilite o movimento

automático de avanço no processo de furação em uma furadeira de bancada, obtendo-se uma

força de avanço constante promovendo também um deslocamento preciso e uniforme da

broca sobre a peça de trabalho

1.1.2. - Objetivos Específicos

Dimensionar os componentes utilizados.

Estudar a funcionalidade do equipamento de automatização;

Estudar a força de avanço no processo de furação utilizando um dinamômetro

com variação dos parâmetros do processo;

- JUSTIFICATIVA

Conforme Diniz et al. (2006), no processo de furação utilizando-se brocas helicoidais,

tem-se um fenômeno desagradável ao final do corte. O ângulo de saída das brocas diminui

no sentido da periferia para o centro. Esta característica em conjunto com a baixa velocidade

de corte devido a redução do diâmetro e a presença da aresta transversal de corte, fazem com

que as condições de corte nesta região sejam ruins. Isso gera uma força de avanço elevada

que faz com que a broca e o eixo árvore deformem, propiciando desvio de forma e posição

do furo. Outro problema inconveniente citado por Diniz et al. (2006) ocorre devido a

deformação plástica do fundo do furo em materiais dúteis que faz a força de avanço aumentar

mais ainda.

Obtendo-se um controle da força e velocidade de avanço durante todo processo de

furação propiciado pelo equipamento, consegue-se reduzir ou até mesmo eliminar estes

problemas obtendo um furo com melhor qualidade e precisão, além da redução do desgaste

prematuro da ferramenta de corte aumentando o tempo de troca da mesma.

5

- APRESENTAÇÃO DO TRABALHO

O trabalho foi dividido em 5 capítulos. No capítulo 2 será apresentado todo o

embasamento teórico necessário a realização deste trabalho, trazendo assim todos os

conceitos fundamentais. O capitulo 3 apresenta todos os procedimentos experimentais

utilizados no projeto. No capítulo 4 serão analisados os resultados obtidos com os

experimentos. O capítulo 5 apresenta as conclusões obtidas sobre o trabalho e também uma

série de propostas para trabalhos futuros.

6

FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

Neste capítulo serão apresentados os principais conceitos teóricos sobre as áreas da

Pneumática, Hidráulica e Usinagem para a elaboração deste trabalho.

- PNEUMÁTICA

O ar comprimido é um insumo ou forma de energia comumente utilizado no setor

industrial e vem ganhando cada vez mais espaço nas indústrias. Ele possibilita uma rápida

movimentação de atuadores com esforços moderados. Embora não tenha a mesma

velocidade de processamento de informações que a elétrica ou eletrônica tem, é bastante

usado quando estes tipos de atuadores são impossibilitados (Parker, 2000). Suas aplicações

são inúmeras, mas podemos citar algumas delas :

Acionamentos e controles industriais;

Transporte Pneumático;

Ejetores de fluidos;

Pinturas;

Ferramentas;

Acionamentos de freios.

Conforme Parker (2000), um sistema pneumático possui inúmeras vantagens,

destacando-se as seguintes: incremento da produção com investimento relativamente

pequeno, redução dos custos operacionais (automatização de operações repetitivas),

facilidade de implantação, simplicidade de manipulação e segurança (equipamentos

envolvem pressões moderadas).

Embora se tenha inúmeras vantagens, deve-se levar em consideração as limitações do

processo, que devem ser avaliadas também na escolha da implantação do sistema. São elas:

necessidade de preparação do ar para ser utilizado (remoção de impurezas e umidade), forças

desenvolvidas pequenas em relação a outros sistemas, difícil controle de velocidades baixas,

poluidor sonoro (embora as tecnologias de silenciamento tenham evoluído bastante) e baixo

rendimento (alto custo energético) (Parker, 2000).

7

Segundo Fialho (2008), um sistema pneumático é composto pela parte da produção e

distribuição do ar comprimido, responsável pela conversão da energia elétrica em energia

pneumática (ar comprimido), pelos atuadores pneumáticos, responsáveis pela transformação

dessa energia em forma de pressão em movimento linear ou rotativo, pelos inúmeros tipos

de válvulas que direcionam e regulam a velocidade e pressão com que esse fluido

pressurizado chega aos atuadores e por diversos outros componentes mecânicos e elétricos.

2.1.1. - Produção de Ar Comprimido

A geração de ar comprimido se da através dá transformação da energia mecânica em

energia pneumática para posterior utilização pelos atuadores. Vários componentes fazem

parte desse sistema, dentre eles, podemos citar: compressor, reservatório, secador, filtro de

atmosfera, drenos, válvulas de segurança, resfriadores, pressostatos (Parker, 2000).

2.1.1.1. - Compressor

O compressor é responsável pela elevação da pressão do ar admitido. Se dividem entre

os de deslocamento positivo e os dinâmicos. O primeiro tem como característica principal

atingir altas pressões, enquanto o segundo consegue atingir altas vazões (Fialho, 2008).

Os compressores de deslocamento positivo se separam em dois grupos: compressores

de êmbolo e compressores rotativos. O tipo mais comum de compressor de êmbolo é o de

pistão, visto na Figura 2.1, sendo o mais utilizado na geração de ar comprimido. Um motor

(normalmente elétrico) gira um mecanismo-biela manivela dentro de uma câmara isolada. O

movimento rotativo do motor é convertido em movimento linear ao êmbolo, que admite o ar

através de uma válvula, comprime o ar admitido e manda para o reservatório.

Dentro dos compressores rotativos, temos os seguintes tipos: de palheta, de palheta

variável, de lóbulos e de engrenagens (Stewart, 1981).

8

FIGURA 2.1 - Compressor de Pistão (Blog do Professor Carlão, 2009)

2.1.1.2. - Reservatório

O reservatório (Fig. 2.2) serve para armazenagem do ar comprimido mas também tem

outras funções, como: resfriar o ar, diminuir a variação de pressão no sistema, estabilizar o

fluxo de ar e controlar a marcha do compressor. Deve ser projetado conforme a norma PBN

109 da ABNT, e sua pressão de trabalho não deve ultrapassar sua pressão máxima suportável

(Stewart, 1981). Conforme Parker (2000), em muitos sistemas pneumáticos a tubulação de

distribuição de ar comprimido é projetada de forma que sirva como um reservatório

secundário aumentando assim a capacidade de armazenagem de ar comprimido e facilitando

a possível expansão que essa rede possa necessitar futuramente.

9

FIGURA 2.2 – Reservatório Pneumático (Ebah, [20--?b])

2.1.1.3. - Secador

O secador retira a umidade do ar que está entrando no sistema pneumático. A umidade

é extremamente prejudicial ao sistema pneumático. A água condensada que entra dentro do

sistema pode entrar em contato com os dutos, válvulas, atuadores e outros componentes,

oxidando e danificando. Os secadores são muito recomendados para diminuir o custo com a

manutenção. Existem vários meios de secagem, são eles : secagem por refrigeração, secagem

por absorção e secagem por adsorção (Stewart, 1981).

2.1.1.4. - Filtro de ar

Segundo Stewart (1981) o filtro é responsável pela eliminação de impurezas no ar que

é admitido para o sistema pneumático. O ar atmosférico pode apresentar uma série de

contaminantes que ao entrar em contato com as peças do sistema pneumático, podem

danificá-las, desgastando as vedações dos atuadores provocando vazamentos e perda de

pressão.

2.1.1.5. - Dreno

O processo de secagem não remove totalmente a umidade do ar que é admitido. Por

isso são instalados drenos no reservatório e na tubulação. São escolhidos pontos estratégicos

para instalação do dreno, geralmente no fim de tubulações, pois a inclinação da tubulação

10

permite que o líquido escoe totalmente para o final e na parte de baixo do reservatório, onde

também a uma concentração de líquido. O gestor da manutenção deve programar datas para

a abertura dos drenos (Parker, 2000).

2.1.1.6. - Válvula de segurança

Uma válvula de segurança é uma válvula reguladora de pressão que opera monitorando

a pressão do sistema. Quando o sistema atinge uma pressão estabelecida na regulagem da

válvula, esta liberará toda pressão em excesso para a atmosfera. Essa válvula impede que o

sistema opere em uma pressão fora da pressão de projeto do reservatório (Parker, 2000).

2.1.1.7. - Resfriador

Parker (2000) ressalta que o ar comprimido sai a alta temperatura do compressor, o

que pode prejudicar o sistema pneumático dilatando a tubulação e causando choques-

térmicos que podem causar trincas e danificar juntas soldadas. O resfriador é um trocador de

calor que diminui a temperatura que o ar entra no sistema. Com a temperatura menor, o vapor

de água vira líquido e se tem uma melhor remoção de condensado do sistema.

2.1.1.8. - Pressostato

O pressostato é responsável pelo funcionamento do compressor. Nele são reguladas a

pressão mínima e máxima do sistema. Quando o sistema atinge a pressão mínima, o

pressostato envia um sinal para o motor entrar em funcionamento, e quando o sistema atinge

a pressão máxima, o pressostato envia um sinal interrompendo o funcionamento deste

mesmo motor. Isso permite uma economia de energia, pois se o compressor funcionasse o

tempo todo, grande parte da energia seria dissipada pela válvula de segurança que jogaria

toda pressão em excesso para fora do sistema (Parker, 2000).

2.1.2. - Sistema de Distribuição

Segundo Parker (2000) a distribuição é responsável pela comunicação entre a fonte

produtora de ar comprimido e os equipamentos consumidores. Também funciona como um

reservatório para atender às exigências de projeto. É composto pela tubulação primária e as

11

tubulações secundárias, também chamados de ramal primário e secundário, conforme visto

na Figura 2.3.

FIGURA 2.3 - Tubulações Primária e Secundária (Adaptado de: (Ebah, [20--?a]))

2.1.2.1. - Ramal Primário

É a tubulação principal do Sistema, responsável pela distribuição do ar comprimido

para os ramais secundários. O dimensionamento e a instalação deste ramal deve seguir uma

série de regras. Caso haja alguma curvatura, esta mesma deve ter um raio de duas vezes o

diâmetro da tubulação. A tubulação principal também deve conter um ângulo de inclinação

que varia de 0,5 a 2 %, para facilitar a deposição de condensado em um único ponto e

posterior remoção pelo dreno (Parker, 2000).

2.1.2.2. - Ramal Secundário

É a tubulação que alimenta os equipamentos e máquinas que utilizam o ar comprimido.

Parker (2000) cita que nesta tubulação deve-se utilizar materiais de alta resistência mecânica

e durabilidade neste ramal. Os materiais mais comuns são tubos de polietileno e tubos de

nylon.

- HIDRÁULICA

Segundo Parker (1999) a hidráulica vem se destacando e ganhando bastante espaço

como um meio de transmissão de energia. Pode-se notar que ela está presente em todos os

12

setores industriais e é amplamente utilizada na automatização de sistemas através de

atuadores. Diferente da pneumática, na hidráulica consegue-se trabalhar com pressões

elevadas, podendo ser utilizada comandar grandes cargas. Existe um vasto campo de

aplicações da hidráulica, e a maioria dos processos que utilizam pneumática podem ser

substituídos pela hidráulica.

Um sistema hidráulico é bem parecido com um sistema pneumático, entretanto no

lugar do compressor existe uma bomba responsável pela pressurização do fluido que é

direcionado aos outros componentes do sistema (válvulas e atuadores). Diferentemente da

pneumática onde o ar comprimido é devolvido a atmosfera após ser utilizado, o fluido

hidráulico retorna para o reservatório (Parker, 1999).

2.2.1. - Fluido Hidráulico

O fluido hidráulico é o meio de transmissão de energia do sistema hidráulico. Segundo

Parker (1999) o fluido hidráulico também é um lubrificante, vedador e um veículo de

transferência de calor. O tipo mais comum é à base de petróleo. Esse tipo de fluido apresenta

aditivos (inibidores de corrosão, antidesgaste e antiespumantes) em sua composição que lhe

dão características importantes para seu uso nos sistemas hidráulicos.

2.2.2. - Reservatório Hidráulico

Os reservatórios hidráulicos têm a função de armazenar o fluido hidráulico e consistem

de quatro paredes, uma base abaulada, um topo plano com uma placa de apoio, quatro pés,

linhas de sucção, de retorno, drenos, plugue do dreno, indicador de nível de óleo, tampa para

respiradouro e enchimento, tampa para limpeza e placa defletora (Parker, 1999).

Parker (1999) ressalta a importância da placa defletora que impede que o fluido que

retorna ao reservatório vá diretamente a linha de sucção. Isto cria uma zona de repouso onde

as impurezas maiores sedimentam, o ar sobe à superfície do fluido e dá condições para que

o calor, no fluido, seja dissipado para as paredes do reservatório.

Os tipos mais comuns de reservatórios são: em forma de L, reservatórios suspensos e

os reservatórios convencionais (Fig. 2.4). Sendo o último o mais comumente utilizado nos

13

sistemas hidráulicos. Os reservatórios em forma de L e os suspensos permitem à bomba uma

altura manométrica positiva do fluido (Parker, 1999).

FIGURA 2.4 – Reservatório Hidráulico (Parker, 1999)

2.2.3. - Resfriadores

Assim como no sistema pneumático onde tem-se a elevação de temperatura após a

compressão do ar admitido, no sistema hidráulico ocorre da mesma forma. Todos os sistemas

hidráulicos aquecem. Para evitar-se um superaquecimento, o que pode danificar os

componentes do sistema, são utilizados resfriadores ou trocadores de calor, sendo os mais

comuns água-óleo e ar-óleo (Parker, 1999).

2.2.4. - Filtros

Segundo Parker (1999) todos os fluidos hidráulicos contêm uma certa quantidade de

contaminantes e particulados gerados pela circulação do óleo no sistema. Esses

contaminantes podem danificar os atuadores e provocar mau funcionamento nas máquinas

do sistema hidráulico. Tendo isso em vista, a necessidade da utilização de filtros é muito

recomendada para não se ter paradas inesperadas nos processos produtivos.

14

Parker (1999) ainda ressalta que a contaminação pode causar problemas no sistema,

dificultando a transmissão de energia, transferência de calor, vedação e lubrificação, sendo

este último o maior problema causado. A falta de lubrificação causa desgaste excessivo,

resposta lenta, falha prematura do componente, entre outros problemas.

2.2.5. - Mangueiras

As mangueiras são componentes que são responsáveis pela condução de fluidos, tendo

também como característica secundária, a capacidade de absorver vibrações e de dar

liberdade de movimentos. A SAE (Sociedade dos Engenheiros Automotivos Americanos)

elaborou uma série de normas quanto ao aspecto construtivo das mangueiras, possibilitando

uma especificação em função dos parâmetros de aplicação. São eles (Parker, 1999) :

Capacidade de pressão dinâmica e estática de trabalho;

Temperatura mínima e máxima de trabalho;

Compatibilidade química com o fluido a ser conduzido;

Resistência ao meio ambiente de trabalho;

Vida útil das mangueiras em condições dinâmicas de trabalho;

Raio mínimo de curvatura.

2.2.6. - Bombas Hidráulicas

Conforme Stewart (1981) as bombas são utilizadas para converter energia mecânica

em energia hidráulica. A ação cria um vácuo na entrada da bomba, o que permite que a

pressão atmosférica force o fluido a entrar na linha de sucção. Esse fluido é jogado no

sistema através da linha de descarga. As bombas são classificadas em dois tipos:

hidrodinâmicas e hidrostáticas (Steward, 1981). Também podem ser classificadas como de

deslocamento positivo (fluxo pulsante) ou de deslocamento não-positivo (fluxo contínuo)

(Parker, 1999). A Figura 2.5 mostra alguns modelos de bombas hidráulicas.

15

FIGURA 2.5 – Bombas Hidráulicas (Agm, [20--?])

Bombas Hidrodinâmicas

Segundo Stewart (1981), as bombas hidrodinâmicas são bombas de deslocamento não-

positivo, usadas para transferir fluidos, cuja única resistência é dada pelo peso do fluido e

pelo atrito. Pelo fato de não conseguirem uma alta elevação de pressão do fluido, raramente

são utilizadas em sistemas hidráulicos.

Bombas Hidrostáticas

São bombas de deslocamento positivo, que fornecem certa quantidade de fluido a cada

rotação. A saída do fluido independe da pressão, com exceção de perdas por vazamento,

sendo por isso o tipo mais comum utilizado em sistemas hidráulicos industriais (Stewart,

1981).

2.2.7. - Válvulas Reguladoras de Pressão

Segundo Parker (1999) uma válvula reguladora de pressão serve justamente para

controlar a pressão de um sistema hidráulico. São utilizadas para limitar a pressão máxima

de um sistema, regular a pressão reduzida em certas partes do circuito, entre outras atividades

que envolvem mudanças de pressão na operação. São classificadas de acordo com o tipo de

conexão, o tamanho e a faixa de operação.

16

- ATUADORES PNEUMÁTICOS E HIDRÁULICOS

Conforme Stewart (1981) os atuadores se dividem basicamente em cilindros e motores,

tanto pneumáticos como hidráulicos. Os cilindros promovem movimento linear enquanto os

motores promovem movimento rotativo.

2.3.1. - Cilindros

2.3.1.1. - Simples Efeito

Esse tipo de cilindro utiliza o fluido de trabalho, ar comprimido ou fluido hidráulico,

para produzir trabalho em um único sentido de movimento, seja para avanço ou retorno. O

retorno é efetuado pela ação de uma mola e força externa. Quando o fluido é liberado, o

pistão volta para a posição inicial. No dimensionamento da força do cilindro, deve-se levar

em conta que uma parcela da energia cedida é absorvida pela mola (Stewart, 1981). A Figura

2.6 mostra uma representação deste tipo de cilindro.

FIGURA 2.6 – Cilindro de Simples Efeito (Parker, 1999)

2.3.1.2. - Duplo Efeito

Segundo Stewart (1981) no cilindro de duplo efeito, o fluido de trabalho é utilizado

para produzir trabalho nos dois sentidos, avanço e retorno, e é o tipo mais comum de

utilização. Há uma diferença nas forças de avanço e de retorno, visto que as áreas efetivas

de atuação da pressão são diferentes, a área de avanço é maior que a área de retorno por

causa da haste. Quando uma câmara está admitindo fluido, a outra está em contato com a

atmosfera ou com o reservatório (no caso de cilindros hidráulicos), alternando a admissão

do fluido nas câmaras e invertendo o sentido do movimento. Dentro dos cilindros de duplo

efeito, existem os derivados : cilindro de duplo efeito com haste dupla, cilindro duplex

17

continuo, cilindro duplex geminado, cilindro de impacto e cilindro de tração por cabos. A

Figura 2.7 mostra uma representação deste cilindro.

FIGURA 2.7 - Cilindro de Duplo Efeito (PARKER, 1999)

2.3.1.3. - Hydro-check

O Hydro-Check (Fig. 2.8) é um tipo de cilindro hidráulico de duplo efeito especial. É

normalmente utilizado em conjunto com um cilindro pneumático. Sua função é de

possibilitar uma frenagem e controle do movimento do cilindro pneumático (Parker, 2000).

Parker (2000) ressalta ainda que em operações de usinagem que necessitam de um

melhor controle de velocidade com movimentos de precisão suaves e uniformes, a

compressibilidade natural do ar pode ser um problema. O Hydro-check é usado de forma a

proporcionar suavidade e precisão hidraúlica a dispositivos e equipamentos pneumáticos

cuja ação é rápida. O equipamento possui um controle hidraúlico totalmente regulável ao

movimento de avanço do cilindro pneumático, eliminando vibrações e compensando

quaisquer variações de força requerida.

Funcionamento

“Quando a haste (1) se movimenta no avanço, o êmbolo conduz o óleo para o

tubo (2) através da válvula de controle (3) até o cabeçote traseiro do hydro-check. Na

válvula de controle (3), a velocidade que o êmbolo avança pode ser controlada. Quando o

êmbolo retorna, a válvula (4) permite a passagem livre do óleo. O cilindro compensador

lateral (5) armazena o óleo deslocado pela haste (2) no retorno do êmbolo e envia este

mesmo óleo para o cabeçote traseiro no avanço do êmbolo. A haste (6) do compensador

lateral possui marcações para o nível máximo de óleo e o mínimo para reabastecimento

(Raoli, [20--?]).”

18

FIGURA 2.8 - Partes do Hydro-Check (Raoli, [20--?])

Conforme Parker (2000), a simbologia do Hydro-check pode ser vista na Figura 2.9.

FIGURA 2.9 – Simbologia Hydro-check (Parker, 2000)

2.3.2. – Força Desenvolvida por um Cilindro

Conforme Stewart (1981), a força desenvolvida por um cilindro pode ser calculada

pelo produto da pressão do fluido de trabalho pela área de contato do fluido com o êmbolo.

Em um cilindro de duplo efeito, a força desenvolvida no avanço é maior que a força no

19

retorno, devido ao fato de a haste diminuir a área de contato do fluido pressurizado (Stewart,

1981).

- VÁLVULAS DIRECIONAIS

Uma válvula direcional consiste de um corpo com passagens internas que são

conectadas e desconectadas movendo-se uma parte móvel, chamada de êmbolo. As válvulas

direcionais são identificadas nos diagramas hidráulicos de acordo com os seguintes fatores:

número de posições, número de vias, posição normal e tipo de acionamento (Parker, 1999).

2.4.1. - Número de Posições

O número de posições representa a quantidade de manobras que uma válvula pode

assumir. Uma válvula direcional realiza no mínimo duas manobras. A Figura 2.10 mostra a

representação do número de posições na simbologia de uma válvula.

FIGURA 2.10 – Representação do Número de Posições (Parker, 1999)

2.4.2. - Número de Vias

O número de vias representa o número de conexões úteis que uma válvula pode

possuir. A representação do número de vias pode ser vista na Figura 2.11.

FIGURA 2.11 – Representação do Número de Vias (Parker, 1999)

20

2.4.3. - Posição Normal

É a posição que uma válvula se encontra sem que tenha sido acionada. Esta posição

geralmente é mantida por força de uma mola.

2.4.4. - Tipo de Acionamento

O tipo de acionamento define a sua aplicação no circuito. Podem ser eles dos tipos:

muscular, mecânico, pneumático, hidráulico ou elétrico. (Fialho, 2004)

- FURADEIRAS E PROCESSO DE FURAÇÃO

2.5.1. - Introducão à furação

O processo de furação é um dos processos mais antigos de usinagem, além de ser o

mais utilizado na indústria manufatureira. Praticamente, toda peça advinda da indústria

possui pelo menos um furo, e pequena parte deles são oriundos de outros processos como

fundição, forjamento, entre outros. O processo pode ser realizado por diversas máquinas

operatrizes, como tornos e fresadoras, mas as furadeiras são primordialmente utilizadas para

efetuar furos cheios, ou o aumento dos mesmos, uma variante denominado alargamento

(Diniz et al., 2006).

Com o desenvolvimento de novos materiais para ferramentas como o metal duro,

material cerâmico, nitreto de boro cúbico (CBN ou PCBN) e diamante, outros tipos de

processo como torneamento, fresamento progrediram mais rapidamente do que a furação.

Segundo Diniz et al. (2006) tal atraso deve-se ao diâmetro dos furos, que torna-se um gargalo

do processo, uma vez que para diâmetros ate mesmo comuns (10 mm), para ser utilizado

com velocidades de corte compatíveis ao do metal duro (Vc em torno de 200 m/mim), é

necessário altas rotações, podendo ser excessiva para as furadeiras convencionais.

Atualmente, no entanto, tem crescido a utilização de Centros de Usinagem CNC no

processo de furação e, com isto, vários desenvolvimentos têm ocorrido com os materiais das

ferramentas de furação (brocas). Broca de aço rápido revestida com TiN, Broca inteiriça de

metal duro, Broca com pastilhas intercambiáveis de metal duro, Brocas especiais, são alguns

desenvolvimentos nessa área. Porém, no Brasil, mais da metade das operações de furação

21

ainda são realizadas com brocas helicoidais de aço rápido, com ou sem camada de cobertura,

isto torna o processo de furação extremamente lento. Em termos de tolerância dimensional,

esse processo também é sofrível, fazendo com que o comprimento do furo não possa ser

muito grande (Razão L/D [comprimento/diâmetro] de no máximo 3), sob o risco de

ocorrência de excentricidade (Diniz et al., 2006).

2.5.2. - Partes de furadeiras

A Figura 2.12 mostra uma furadeira de coluna, podendo as partes principais variar de

acordo com sua estrutura, para tal modelo podem-se destacar os seguintes componentes:

coluna, motor, polia escalonada, correia, capa protetora, chave de partida, manivela, cursor,

mandril, eixo árvore, mesa de trabalho e base.

FIGURA 2.12 - Partes de uma furadeira (Adaptado de: (Ustudy, [20--?]))

22

2.5.3. - Tipos de furadeiras

As furadeiras são classificadas quanto ao sistema de avanço, quanto ao tipo de máquina

e quanto ao número de árvores. Quanto ao sistema de avanço pode-se classificar como

manual (ou sensitiva) ou automática (elétrico ou hidráulico).

Quanto ao tipo de máquina pode-se classificar como: portátil, de coluna, de bancada,

radial e horizontal. A furadeira de coluna, apresentada pela Figura 2.12, é a mais encontrada

em oficinas de manutenção devidas sua versatilidade. Um exemplo da furadeira de bancada

e da furadeira radial pode ser observado na Figura 2.13.

FIGURA 2.13 - Furadeira de bancada (a esquerda); Furadeira radial (a direita) (Adaptado

de: (Ruflav, [20--?]); (AtlasMaq, [20--?]))

As furadeiras radiais são empregadas na furação de grandes peças. O braço possui

movimento vertical na coluna, normalmente através de um motor. O braço também possui

movimento de giro em torno da coluna, que é feito manualmente na maioria das vezes. Um

carro com o sistema de acionamento da árvore principal movimenta-se pelo braço para

posicionar a ferramenta.

As furadeiras de múltiplas árvores pode-se ter, basicamente, dois tipos distintos de

acordo com o motor. Pode-se ter máquinas onde cada árvore possui seu próprio motor, como

mostra a Figura 2.14 à esquerda. O outro caso é quando todas as árvores compartilham de

um mesmo motor. Este caso é ilustrado pela Figura 2.14, à direita.

23

FIGURA 2.14 - Furadeiras de múltiplas árvores (Adaptado de: (AutoDrill, [20--?]);

(Sepeoli, [20--?]))

2.5.4. - Principais tipos de Brocas

As brocas são as ferramentas utilizadas para a abertura de furos. São constituídas de 2

até 4 arestas de corte e sulcos helicoidais responsável pela saída do cavaco. Os elementos de

uma broca (Guia, rebaixo, haste cônica e lingueta de extração) estão destacados na Figura

2.15.

FIGURA 2.15- Partes de uma Broca Helicoidal (Adaptado de: (Diniz et al., 2006))

Os tipos de brocas mais comuns são: broca cilíndrica, como a da Figura 2.15, broca de

centro, broca calçada com pastilha e broca múltipla. A broca de centro tem sua aparência

representada pela Figura 2.16. É uma broca curta e de diâmetro relativamente grande. Sua

alta rigidez impede que ocorra uma flambagem e que o furo seja executado fora do local

correto. Sua função é a de iniciar o furo de uma peça, ou seja, fazer um pequeno furo para

que a ponta da broca não se desloque da posição.

24

FIGURA 2.16 - Broca de Centro (Sumiko, [20--])

As brocas calçadas com pastilha são indicadas para furação de materiais de maior

dureza e/ou para obter-se rendimentos superiores. A Figura 2.17 apresenta uma

representação deste tipo de broca onde é possível perceber que a as pastilhas são afixadas

por parafusos ao corpo.

FIGURA 2.17 – Brocas com Dentes Postiços (Adaptado de: (Sandvik, [20--?]))

As brocas do tipo canhão, que tem um único fio cortante, segundo Diniz et al. (2006)

são indicadas para execução de furos profundos (L/D até 125). A Figura 2.18 ilustra essa

ferramenta.

FIGURA 2.18 – Brocas Canhão (Sandvik, [20--?])

25

Como pode-se observar na Figura 2.19 existem as brocas com canais para fluido

refrigerante, onde o mesmo é enviado diretamente para a região de formação do cavaco,

evitando o superaquecimento da ferramenta e auxiliando na remoção do cavaco,

possibilitando a usinagem de furos relativamente profundos.

FIGURA 2.19 – Brocas com Furos para Refrigeração (Sandvik, [20--?])

2.5.5. - Forças e Potência de Corte no Processo de Furação

Segundo Diniz et al. (2006), vários estudos foram desenvolvidos com o objetivo de

modelar as forças de corte. Elas são as razões principais dos problemas relacionados à

furação na usinagem como erro de forma e superfície, vibração, desgaste e ruptura da

ferramenta. A sua modelagem permite o desenvolvimento de novas geometrias de brocas,

visando uma melhora na qualidade e produtividade do processo de furação.

Durante o processo de furação verificam-se as seguintes resistências à penetração da

broca (Diniz et al., 2006):

a) Resistência devido ao corte do material nas duas arestas principais de corte

b) Resistência devido ao corte e esmagamento na aresta transversal de corte;

c) Resistência devido ao atrito das guias com a parede do furo e entre a

superfície de saída da broca e o cavaco.

Uma broca helicoidal durante o corte é basicamente submetida a esforços de torção

(causado pela rotação da broca) e a esforços de compressão devido ao avanço da broca.

Assim, para se estimar os esforços de um processo de furação, basta calcular-se o momento

torsor e a força de avanço do processo (Diniz et al., 2006).

É imprescindível que as duas arestas principais de corte estejam igualmente afiadas,

pois caso contrário o esforço de corte de uma aresta é diferente do esforço da outra aresta,

26

podendo causar flexão da ferramenta. Dado os três tipos de resistência que uma broca tem

que vencer para realizar o corte, tem-se as equações 2.1 e 2.2 (Diniz et al., 2006).

𝑴𝒕𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 = 𝑴𝒕𝒂 + 𝑴𝒕𝒃 + 𝑴𝒕𝒄 (2.1)

𝑭𝒇𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 = 𝑭𝒇𝒂 + 𝑭𝒇𝒃 + 𝑭𝒇𝒄 (2.2)

Onde:

𝑀𝑡 = 𝑚𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑡𝑜𝑟𝑠𝑜𝑟

𝐹𝑓 = 𝑓𝑜𝑟ç𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑣𝑎𝑛ç𝑜

a, b, e c são as contribuições das resistências a penetração citadas anteriormente aos

esforços 𝑀𝑡 e 𝐹𝑓

A participação percentual de cada uma dessas grandezas oscila entre os valores,

mostrados na Tabela 2.1.

TABELA 2.1 - Momento Torsor e Força de Avanço (Diniz et al., 2006)

Arestas Principais Aresta Transversal Atritos

Momento Torsor 77 – 90 % 3 – 10 % 3 – 13 %

Força de Avanço 39 – 59 % 40 – 58 % 2 – 5 %

Segundo esses dados, nota-se a grande participação da aresta transversal de corte nos

valores de força de avanço. Como já foi visto, isto é devido a alguns fatores, como: baixa

rotação de broca e ângulo de saída negativo na região central da broca, baixos valores e até

mesmo valores negativos do ângulo efetivo de folga nesta região, esmagamento do cavaco

e encruamento do fundo do furo causados pela aresta transversal. Por causa disto, tenta-se

evitar este efeito danoso da aresta transversal através de seu chanframento ou da furação

com pré-furação (Diniz et al., 2006).

27

2.5.5.1. - Fórmulas Experimentais para Cálculos dos Esforços de Corte na Furação

As principais equações empíricas para o cálculo dos esforços de corte na furação são

mostradas abaixo, a fim de que se tenha uma equação possível de ser calculada, alguns

fatores foram colocados de maneira implícita (Diniz et al., 2006).

a) Fórmula de Kronenberg para a determinação do momento torsor (Mt) na furação em

cheio, conforme equação 2.4 (Diniz et al., 2006).

𝑴𝒕 = 𝑪𝟏 × 𝑫𝒙𝟏 × 𝒇𝒚𝟏 [𝒌𝒈𝒇 × 𝒎𝒎] (2.4)

Onde:

D = diâmetro da broca (mm);

f = avanço (mm/volta);

C1, x1 e y1 = constantes empíricas do material da peça, conforme Tabela 2.2.

TABELA 2.2 - Coeficientes C1, x1 e y1 da equação de Kronenberg para obtenção do

momento torsor na furação em cheio (Diniz et al., 2006)

AÇO C1 x1 y1

1085 30.2 ± 0.5 2.05 0.86

1020 15.1 ± 0.4 2.22 0.76

1065 24.3 ± 0.9 2.05 0.83

1055 21.9 ± 0.3 2.01 0.77

1025 37.9 ± 0.6 1.87 0.77

52100 46.8 ± 1.2 1.97 0.77

VM 20 48.6 ± 1.2 1.77 0.72

VND 26.2 ± 0.8 2.13 0.78

VS 60 10.9 ± 0.8 2.33 0.70

28

b) Fórmula de H. Daar para determinação da força de avanço (Ff) na furação em cheio

(Diniz et al., 2006).

𝑭𝒇 = 𝑪𝟐 × 𝑫𝒙𝟐 × 𝒇𝒚𝟐 [𝒌𝒈𝒇]

(2.5)

Onde:



C2, x2 e y2= constantes empíricas do material da peça, conforme Tabela 2.3.

TABELA 2.3 - Coeficientes C2, X2 e Y2 da equação de H. Daar para obtenção da força de

avanço na furação em cheio (Diniz et al., 2006)

AÇO C2 x2 y2

1085 161 ± 8 1.02 0.79

1020 32.5 ± 0.4 1.32 0.65

1065 49.6 ± 0.8 1.07 0.54

1055 22.0 ± 0.5 1.32 0.54

1025 33.4 ± 0.0 1.21 0.60

52100 41.9 ± 0.8 1.41 0.66

VM 20 27.3 ± 0.6 1.3 0.59

VND 55.1 ± 1.4 1.29 0.72

VS 60 42.7 ± 1.0 1.35 0.70

c) Fórmula de H. Daar para determinação do momento torsor na furação com pré-

furação.

𝑴𝒕 = 𝑪𝟑 × 𝒇𝟏−𝒛𝟑 × 𝑫𝟐−𝒙𝟑 × (𝑫𝒙𝟑 − 𝒅𝟎𝒙𝟑)

(2.6)

Onde:


29


do = diâmetro do pré-furo;

C3, z3 e x3 = constantes empíricas do material da peça, conforme Tabela 2.4.

TABELA 2.4 - Coeficientes C3, 1-z3 e x3 da equação de H. Daar para obtenção do

momento torsor na furação com pré-furação (Diniz et al., 2006)

AÇO C3 1-z3 x3

1085 27.6 0.71 1.9

1020 24.1 0.77 1.6

1065 18.9 0.70 2.1

1055 20.2 0.66 1.7

1025 22.0 0.74 1.9

52100 34.8 0.70 2.5

VM 20 21.7 0.70 1.9

VND 37.6 0.78 1.9

VS 60 47.5 0.69 0.5

Fórmula de H.Daar para determinação da força de avanço na furação com pré-furação

𝑭𝒇 = 𝑪𝟒 × 𝒇𝟏−𝒚𝟒 × 𝑫𝟏−𝒙𝟒 × (𝑫𝒙𝟒 − 𝒅𝟎𝒙𝟒) (2.7)

Onde:



do = diâmetro do pré-furo;C3, z3 e x3 = constantes empíricas do material da peça, conforme

Tabela 2.4;

C4, x4 e y4 = constantes empíricas do material da peça, conforme Tabela 2.5.

30

TABELA 2.5 - Coeficiente da equação de H.Daar para obtenção da força de avanço na

furação com pré-furo (Diniz et al., 2006)

AÇO C4 1-y4 x4

1085 38 0.51 0.9

1020 112 0.61 0.2

1065 27.8 0.44 0.6

1055 38 0.38 0.4

1025 41.5 0.57 0.6

52100 64.4 0.54 1.2

VM 20 46 0.54 0.5

VND 93.5 0.68 0.6

VS 60 69 0.40 0.2

- MEDIÇÃO DE FORÇAS NA USINAGEM

O conhecimento das forças de corte na usinagem é de grande importância. A obtenção

dos valores das forças de usinagem permite o cálculo da potência de usinagem e também a

determinação do rendimento da máquina, para as diferentes variáveis do processo de

usinagem (Ferraresi, 1969).

Conforme Ferraresi (1969), os dinamômetros são equipamentos utilizados na medição

de força de usinagem. A medida da força de usinagem pode ser direta (piezoeletricidade,

magneto-estricção ou magneto-elasticidade) ou indireta (através do deslocamento de molas

com medição mecânica, pneumática, hidráulica ou elétrica).

Os dinamômetros piezoelétricos são normalmente fabricados utilizando cristais de

quartzo. Quando submetidos a esforços mecânicos se deformando, os cristais se polarizam

eletricamente, liberando cargas elétricas iguais e contrárias. Este valor de carga gerado pela

deformação é medido e convertido para valores de força de usinagem (Ferraresi, 1969).

Siqueira (2009) utilizou em seu trabalho um dinamômetro piezoelétrico para medir as

forças de usinagem na operação de rebaixamento durante o desbaste de sedes de válvulas de

admissão de motores de combustão interna. Um dinamômetro por telemetria foi usado por

Mota (2009) na medição de forças e torque no processo de rosqueamento com macho de

corte de metal duro. Esses estudos comprovam a importância do conhecimento da força de

usinagem nos processos de fabricação.

31

- MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS

O método dos elementos finitos é um método numérico que consiste na solução de

problemas de valor de fronteira descritos por equações diferenciais ordinárias. O método

tem vasta aplicação em todas as áreas de engenharia, como na análise de transferência de

calor, mecânica dos fluidos, análise de tensões e deformações entre várias outras áreas

(Hutton, 2004).

O método consiste na discretização de um elemento em elementos menores,

construindo uma “malha” onde serão aplicados as condições de contorno e carregamentos

para análise juntamente com as equações a serem resolvidas. Todos esses dados são

processados no computador que efetua os cálculos e imprime os resultados para o tipo de

estudo escolhido (Hutton, 2004).

32

PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS

Neste trabalho serão aliados a pneumática e a hidráulica com a usinagem para se obter

uma melhoria no processo de furação tornando o movimento de avanço automático e

estudando as forças envolvidas no processo. Utilizando todos os conceitos presentes na

fundamentação teórica, referentes a pneumática e hidráulica, será projetado e construído o

Hydro-check para ser utilizado na furadeira de bancada. Em conjunto com o Hydro-check

será utilizado um cilindro pneumático responsável pela força de avanço da furadeira.

Após o sistema estar em pleno funcionamento, serão realizados estudos de força de

corte utilizando um dinamômetro para analisar-se a eficácia do equipamento.

- RELAÇÃO DE EQUIPAMENTOS E MATERIAIS

1x Furadeira de Coluna de Bancada MELLO

2x Cilindros Pneumático Duplo Efeito 1”1/2 - 100 Schreder-Bellows

1x Cilindro Pneumático Simples Efeito 1”

1x Válvula Direcional Pneumática 5/2 vias com Acionamento Pneumático

1x Válvula Reguladora de Vazão do Tipo Agulha

2x Botoeiras Pneumáticas

1x Unidade de Condicionamento

30cm Tubo PU

2x Suportes para Fixação dos Cilindros à Máquina

1x Dinamômetro Kistler (Type 9443B);

1x Placa de Aquisição de Dados Kistler (Type 5697A);

1x Amplificador Multicanais Kistler (Type 5070).

1x Morsa Hidráulica

33

- PROJETO DO SISTEMA DE AVANÇO AUTOMÁTICO

Nas Figuras 3.1 e 3.2, pode-se ver uma representação feita em CAD 3D mostrando o

mecanismo atual de avanço manual e o mecanismo automatizado a ser implementado na

máquina. Serão utilizados dois dispositivos para fixação dos cilindros ao eixo árvore da

furadeira e na lateral da mesma. O sistema de movimentação manual (manivela, mola de

retorno) será removido devido ao pouco espaço que a furadeira possui para se manter os dois

sistemas.

FIGURA 3.1 - Furadeira de Bancada com Avanço Manual (Elaborado pelo Autor)

FIGURA 3.2 - Furadeira de Bancada com Avanço Automático (Elaborado pelo Autor)

34

Serão utilizados 3 cilindros pneumáticos disponíveis no laboratório de Hidráulica e

Pneumática do Instituto Federal de Goiás para a confecção do equipamento. Como as

pressões de operação são baixas (em torno de 6 bar), a utilização de óleo hidráulico em um

cilindro pneumático é viável. Os dois cilindros da Figura 3.3 são cilindros de duplo efeito

que possuem as mesmas dimensões (curso, diâmetro da camisa e da haste). O outro cilindro

(Fig. 3.4) é um cilindro de simples efeito que será utilizado como reservatório auxiliar do

Hydro-check.

FIGURA 3.3 – Cilindros de Duplo Efeito (Fotografado pelo Autor)

FIGURA 3.4 – Cilindro de Simples Efeito (Fotografado pelo Autor)

3.2.1. – Projeto do Hydro-check

Como visto anteriormente em 2.3.1.4, o Hydro-check é composto basicamente por um

cilindro de duplo efeito, um reservatório auxiliar e uma válvula reguladora de vazão. O

Hydro-check a ser confeccionado utilizará um cilindro de duplo efeito (Fig. 3.3), um cilindro

de simples efeito (Fig.3.4), uma válvula reguladora de vazão, conexões e tubos PU. O

esquema de ligações (conexões e tubos) dos componentes pode ser visto na Figura 3.5.

35

FIGURA 3.5 – Projeto do Hydro-check (Elaborado pelo Autor)

3.2.2. – Fixação dos Cilindros

Serão dimensionadas duas chapas para fixação dos cilindros, sendo uma delas em

forma de L fixada a lateral da furadeira e a outra fixada ao cone morse do eixo árvore (Fig.

3.6). As chapas serão analisadas através do pacote de elementos finitos do software

Solidworks para verificar-se os deslocamentos e tensões que estão sujeitas.

FIGURA 3.6 – Chapas de Fixação dos Cilindros (Elaborado pelo Autor)

As chapas a serem utilizadas são de Aço 1020 e tem as dimensões mostradas nas

Figuras 3.7 e 3.8. O esforço a que elas estão sujeitas é devido a força que o cilindro

36

pneumático exerce sobre elas. A pressão de trabalho é de 6 bar (600000 N/m²), e

considerando o pior caso que é quando o cilindro está avançando, pode-se calcular a força

na equação 3.1. O diâmetro da camisa do cilindro é de 1” ½ (38,1 mm).

FIGURA 3.7 – Chapa de Fixação Cone Morse (Elaborado pelo Autor)

FIGURA 3.8 – Chapa de Fixação da Lateral da Furadeira (Elaborado pelo Autor)

𝑭 = 𝑷 ∗ 𝑨 => 𝑭 = 𝟔𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎 ∗ 𝝅 ∗(𝟑𝟖, 𝟏 ∗ 𝟏𝟎−𝟑)𝟐

𝟒= 𝟔𝟖𝟑, 𝟕𝟎 𝑵

(3.1)

Com o valor da força atuante nas chapas e através de análise feita utilizando elementos

finitos no software Solidworks, consegue-se obter os valores de tensão e deformação das

chapas (Figura 3.9 e 3.10)

37

FIGURA 3.9 – Análise de Deslocamentos e Tensões da Chapa de Fixação do Cone Morse

(Elaborado pelo Autor)

FIGURA 3.10 – Análise de Deslocamentos e Tensões da Chapa de Fixação da Lateral da

Furadeira (Elaborado pelo Autor)

Conforme Norton (2000), a tensão de escoamento para o Aço 1020 é de 210 MPa. Os

valores máximos de tensão encontrados devido a força que o cilindro exerce sobre as chapas

foram de 93,61 MPa (Fig. 3.9) e 95,19 MPa (Fig. 3.10). Avaliando o critério de falha pelo

escoamento, calculou-se os coeficientes de segurança das chapas de fixação (eq. 3.2 e 3.3)

mostrando assim uma margem de segurança de mais de 200% (Norton, 2000).

𝑵𝟏 =𝝈𝒚

𝝈𝒕=

𝟐𝟏𝟎

𝟗𝟑, 𝟔𝟏= 𝟐, 𝟐𝟒 = 𝟐𝟐𝟒%

(3.2)

𝑵𝟐 =𝝈𝒚

𝝈𝒕=

𝟐𝟏𝟎

𝟗𝟓, 𝟏𝟗= 𝟐, 𝟐𝟎 = 𝟐𝟐𝟎%

(3.3)

38

3.2.3. – Circuito Hidro-pneumático

Na Figura 3.11 é mostrado o diagrama hidro-pneumático elaborado para o

funcionamento do sistema sobre a Furadeira de Bancada. No diagrama, pode ser observado

os equipamentos comumente utilizados na pneumática (unidade de condicionamento,

válvulas direcionais) e o equipamento implantado na máquina (cilindro pneumático e Hydro-

check) com a ferramenta de medição de força (dinamômetro).

FIGURA 3.11 – Diagrama Hidro-pneumático (Elaborado pelo Autor)

- MONTAGEM DO SISTEMA DE AVANÇO AUTOMÁTICO

3.3.1. – Montagem do Hydro-check

Utilizou-se um cilindro de duplo efeito (1) com curso de 100 mm e diâmetro interno

de 1 1/2”, um cilindro de simples efeito (2) com diâmetro interno de 25 mm como

reservatório auxiliar, e uma válvula reguladora de vazão (3) do tipo agulha. A ligação dos

componentes foi feita conforme Figura 3.12, utilizando conexões do tipo engate rápido

tamanho 8 e tubos PU tamanho 8.

39

FIGURA 3.12 – Hydro-check (Fotografado pelo Autor)

3.3.2. - Sistema de Acionamento

Para montagem do sistema de acionamento utilizou-se uma bancada pneumática

disponível no Laboratório de Hidráulica e Pneumática do IFG para montagem do sistema

(Figura 3.13). Todos os componentes usados no sistema de acionamento pertencem ao

Laboratório de Hidráulica e Pneumática.

FIGURA 3.13 – Sistema Pneumático de Acionamento (Fotografado pelo Autor)

40

3.3.3. – Instalação dos Componentes na Furadeira

O equipamento foi instalado na furadeira conforme Figura 3.14. Fixou-se as chapas de

fixação na lateral da furadeira e no cone-morse através de parafusos. O Hydro-check e o

cilindro pneumático foram fixados através dos próprios tirantes que os cilindros possuem

sobre a chapa lateral de fixação e na chapa do cone morse utilizando a ponta roscada da haste

com uma porca.

FIGURA 3.14 – Hydro-check Instalado na Furadeira de Bancada (Fotografado pelo Autor)

- TESTE DE FUNCIONALIDADE

Com o sistema de avanço automático já instalado na furadeira serão realizados testes

em um corpo de prova de aço 1020 para se avaliar a funcionalidade do equipamento e

realizar-se possíveis ajustes.

- MEDIÇÃO DA FORÇA DE AVANÇO UTILIZANDO O DINAMÔMETRO

Para a medição de forças na direção do eixo X, Y e Z, geradas durante o processo de

furação será utilizado um dinamômetro Kistler, tipo 9265B. O equipamento foi montado

41

sobre a base da furadeira e conectado ao amplificador e posteriormente a uma placa de

aquisição fabricada pela Kistler. O sinais de forças (Fx, Fy, Fz) foram transmitidos para um

microcomputador. Um esquema da transmissão de dados pode ser observado na Figura 3.15.

FIGURA 3.15 - Sistema simplificado de montagem da medição de força. (Elaborado pelo

Autor)

Como a furadeira não possuía um dispositivo para fixação do dinamômetro utilizou-

se uma chapa de aço carbono (Fig. 3.16) para fixação do mesmo. A chapa foi fixada a base

da furadeira através de 4 parafusos, e possui 4 furos roscados para a fixação do dinamômetro

também através de parafusos.

FIGURA 3.16 – Fixação do Dinamômetro (Elaborado pelo Autor)

42

Para efetuar-se os testes de forças, foram selecionados parâmetros de usinagem

(velocidade de corte, material, diâmetro de broca, rotação do eixo árvore), de forma que se

obtenha valores compatíveis com o material da broca/peça. Serão realizados 4 ensaios, sendo

2 deles realizados em um corpo de prova feito de aço 1020 e os outros 2 em um corpo de

prova de alumínio (Fig. 3.17). Selecionou-se as velocidades de corte de 15 e 30 m/s para o

aço e de 30 e 60 m/s para o alumínio. Como a furadeira apresenta uma série de rotações fixas

(5 velocidades), escolheu-se brocas de aço rápido (Disponibilizadas pelo Laboratório de

Usinagem do IFG) que em conjunto com a rotação fornecessem velocidades de corte

similares as pretendidas. As rotações da furadeira são modificadas através do translado da

correia sobre as polias escalonadas (Fig. 2.12).

Como visto em 2.5.5, os principais esforços envolvidos no processo de furação são

devido a força de avanço e ao momento torsor sobre a peça. O dinamômetro utilizado está

somente calibrado para as medições de força nos 3 eixos ortogonais, logo a análise do

momento torsor não será realizada. Como as forças nos sentidos x e y não são importantes

para o presente estudo, será somente estudada a força de avanço (no sentido z). Os ensaios

foram repetidos 3 vezes, realizando um furo sobre o corpo de prova. O sistema de medição

de forças é mostrado na Figura 3.18.

FIGURA 3.17 – Corpos de Prova Utilizados nos Ensaios (Fotografado pelo Autor)

43

FIGURA 3.18 – Sistema de Medição de Forças (Fotografado pelo Autor)

44

RESULTADOS

- FUNCIONALIDADE DO SISTEMA DE AVANÇO AUTOMÁTICO

A Figura 4.1 mostra o primeiro teste realizado utilizando o equipamento de avanço

automático. O teste foi feito em um corpo de prova de aço 1020. O equipamento se mostrou

bastante eficaz no processo de furação automática. Variou-se a velocidade de avanço através

da válvula reguladora de vazão do Hydro-check e notou-se boa eficácia no controle de

velocidade sanando o problema da alta expansibilidade do ar comprimido. Porém, quando

selecionava-se velocidades baixíssimas ocorria trepidações durante o movimento de avanço

da broca. Estas trepidações podem ser atribuídas aos componentes adaptados da pneumática

no Hydro-check. Como não existia meio de medir a velocidade de avanço, foi selecionado

uma velocidade que correspondia a metade da abertura da válvula reguladora de vazão do

Hydro-check e não apresentava trepidações.

FIGURA 4.1 – Primeiro teste de Furação (Fotografado pelo Autor)

45

- RESULTADOS E ANÁLISES DOS ENSAIOS DE FORÇA

4.2.1. - Ensaio 1

Material = Aço 1020

Rotação do Eixo Árvore = 750 rpm

Tipo de Broca = Broca Helicoidal de Aço Rápido

Diâmetro da Broca = 6,5 mm

Vc = 15,31 m/min

Comprimento do Furo = 30 mm

Quantidade de Réplicas = 3

A primeira réplica mostrou um valor médio de 520.71 N durante o processo de furação.

Os valores oscilaram em torno de 20 N acima e abaixo do valor médio. O gráfico mostrou

uma leve inclinação negativa da força durante a furação, conforme mostrado na Figura 4.2.

46

FIGURA 4.2 – Ensaio 1 – 1ª Réplica (Elaborado pelo Autor)

A segunda réplica (Fig. 4.3) apresentou picos de força nos tempos t = 20 s, t = 24 s e t

= 29 s devido a não saída do cavaco. Após terminado o ensaio, foi observado deposição de

material na aresta de corte da broca (Fig. 4.4). Esta deposição de material fez com que

criassem ângulos negativos na superfície de saída, dificultando a quebra e a saída de cavaco,

aumentando a força de avanço. Este problema pode ter sido causado devido ao fato de estar-

se utilizando uma broca usada com aresta de corte já desgastada.

47


48

FIGURA 4.4 – Deposição de Material na Aresta de Corte (Fotografado pelo Autor)

Na terceira réplica do ensaio (Fig. 4.5) trocou-se a broca que foi utilizada nas 2 réplicas

anteriores devido ao desgaste que esta apresentou. Nota-se no gráfico que a força continua

com uma leve inclinação negativa. O valor médio da força de 506.82 N é compatível com o

primeiro teste (520.71 N), apresentando uma leve variação de 13,89 N (aproximadamente

2,6%).

49


4.2.2. - Ensaio 2

Material = Aço 1020



Diâmetro da Broca = 9 mm

Vc = 33,93 m/min

Comprimento do Furo = 30 mm


50

Neste ensaio houve o aumento da velocidade de corte e do diâmetro da broca. Com o

aumento da velocidade de corte a força de avanço deveria ter diminuído, devido a diminuição

do avanço por volta f, conforme a equação 2.5. Porém, neste ensaio modificou-se também o

diâmetro da broca aumentando a profundidade de corte, o que fez com que a força de avanço

aumentasse. Um valor médio de 563,48 N foi encontrado na 1ª réplica (Fig. 4.6).


51

A segunda e terceira réplica (Fig. 4.7 e 4.8) mostraram valores condizentes com o

primeiro do ensaio 2. A leve inclinação negativa observada no primeiro ensaio diminuiu

consideravelmente, mostrando uma melhor constância da força durante o processo de

furação.


52

FIGURA 4.8 - Ensaio 2 – 3ª Réplica (Elaborado pelo Autor)

A leve diminuição da força durante o processo de furação pode-se ser justificada

devido a diminuição da dureza da peça que ocorre durante o processo. Como o tempo de

furação é alto (Em torno de 40 seg.), há um aquecimento considerável na zona de corte, o

que promove o aumento da ductilidade do material nessa região, diminuindo a dureza da

peça e a força de corte.

53

4.2.3. - Ensaio 3

Material = Alumínio



Diâmetro da Broca = 9 mm

Vc = 33,93 m/min

Furo passante de 25 mm


Com a mudança de material (Aço para Alumínio), nota-se claramente que a força

diminui. Isso se deve ao fato de a pressão específica de corte do alumínio ser menor que a

do aço. É observado também que a amplitude de oscilação da força é bem menor que nos

ensaios 1 e 2. Houve leve aumento da força no fim da furação. A 1ª réplica apresentou um

valor médio de 420,44 N, como pode ser observado na Figura 4.9.

54


Nas figuras 4.10 e 4.11 nota-se que o valor médio da força possui pequena variação

(em torno de 4%). Porém, mesmo com a constância da força durante o processo, é observado

um aumento de força ao final do furo, de aproximadamente 12,5 %, mostrando aquele

clássico problema da furação devido a deformação plástica do fundo do furo.

55


56


4.2.4. - Ensaio 4

Material = Alumínio



Diâmetro da Broca = 6,5 mm

Vc = 63,3 m/min

Furo passante de 25 mm


57

Com o aumento da velocidade de corte (redução do avanço por volta) e diminuição do

diâmetro da broca a força de corte deveria diminuir, o que não é observado na primeira

réplica do ensaio 4 (Fig. 4.12). A força apresentou um valor médio de 529.23 N, valor muito

acima dos valores do ensaio 3 (405-420). O teste apresentou bastante ruído antes do começo

da furação no intervalo de t = 0 a t = 2. Possivelmente houve algum erro durante a aquisição

de dados como não ter sido efetuado o reset do amplificador após o último ensaio ou até

mesmo ter ocorrido variação da frequência da rede elétrica de alimentação dos

equipamentos.


58

A segunda réplica do ensaio 4 (Fig. 4.13) apresentou valores condizentes com a teoria

(Em função dos parâmetros alterados). Em relação ao ensaio 3, a força média diminuiu (cerca

de 10%). Isso se deve ao fato da diminuição do diâmetro da broca e aumento da velocidade

de corte. Os valores de força se mostram constantes durante toda a furação. O ruído diminuiu

consideravelmente (De 170 para 50 N).


59

Na terceira réplica (Fig. 4.14), nota-se novamente uma constância no valor da força.

O valor médio encontrado de 368.33 N, condiz com o segundo teste (375.28 N). A elevação

do valor da força no final do corte não foi observada nos testes do ensaio 4.


60

4.2.5. – Comparação dos Ensaios

TABELA 4.1 – Força de Avanço Média dos Ensaios Realizados (Elaborado pelo Autor)

Força de Avanço Média (N)

Ensaio Réplica

Vc (m/s) ∅𝒃𝒓𝒐𝒄𝒂

(mm) Material

1ª 2ª 3ª

1 520,71 564,89 506,82 15,31 6,5 Aço 1020

2 563,48 546,75 554,26 33,92 9 Aço 1020

3 420,44 418,13 405,20 33,93 9 Alumínio

4 529,23 375,28 368,33 63,3 6,5 Alumínio

61

CONCLUSÕES

O equipamento construído para automatizar o movimento de avanço tem ótima

funcionalidade. Com ele, o operador só necessita posicionar e fixar a peça a ser furada, sem

a necessidade de ficar próximo a máquina, aumentando a segurança do processo. O problema

crucial da pneumática (alta expansibilidade) foi resolvido com o Hydro-check, conseguindo

trabalhar com velocidades de avanço controladas durante todo o movimento (Tipo de

característica antes só conseguida com equipamentos hidráulicos).

Devido ao fato de o Hydro-check ter sido montado com componentes adaptados da

pneumática, havia trepidações quando selecionava-se velocidades baixíssimas de avanço,

necessitando escolher uma velocidade moderada nos ensaios de força. Estas trepidações

podem ser associadas também aos componentes desgastados da furadeira, visto que com

lubrificação das partes móveis esse problema era suavizado.

No estudo de força de avanço realizado utilizando o dinamômetro conseguiu-se provar

o comportamento do valor da força com a modificação dos parâmetros de usinagem (pressão

específica de corte, velocidade de corte, diâmetro de broca). Nota-se que com a modificação

do material de aço para alumínio a força de avanço diminui. Com o aumento da velocidade

de corte a força tende a diminuir. E também aumentando o diâmetro da broca a força

aumenta.

Os gráficos mostraram também a constância da força durante o processo de furação.

Nota-se que quanto maior a velocidade de corte, mais uniforme a força fica durante o

processo. Houve uma elevação da força no final do furo nos ensaios 3 e 4 em torno de 10%.

Isso mostra que o equipamento não conseguiu eliminar este problema por completo. Com

pequenas alterações nos componentes hidráulicos e pneumáticos este problema pode ser

resolvido.

Levando em consideração tudo que foi analisado através dos ensaios feitos com o

sistema de avanço automático, conclui-se que o equipamento cumpre o que promete quanto

a força de avanço constante durante o processo de furação. Mantendo-se a força constante

durante o processo consegue-se aumentar o tempo de vida de ferramenta e reduzir o custo

total do processo quanto a aplicação em escala industrial.

62

- SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

Realizar estudos de torque no processo de furação;

Substituir os componentes pneumáticos e hidráulicos para otimização do

equipamento;

Controlar a velocidade de avanço através da eletropneumática utilizando CLP e

pneumática proporcional;

Automatizar o processo de retorno da broca a sua posição de pré-set;

Utilizar o equipamento na operação de furação escalonada.

63

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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Acesso em: 30 Janeiro 2015.

66

A – PROGRAMA PARA TRATAMENTO DOS DADOS GERADOS PELO

DINAMÔMETRO

// Determinacao da força de corte (Fz)

//Autores profs.: ILDEU/ Luiz Carlos/ Paulo Mota - IFG

//Adaptado por: Fernando Gobbi/Matheus Oliveira

// data: 11/02/2015

// Inicializacao do sistema

clc; //Limpa a janela de trabalho

clear; // Apaga todas as variaveis do espaco de trabalho

xdel(winsid()); // fechar todas as janelas de figuras abertas

// Carregar as funcoes

exec('tempo.sci', -1);

exec('rms.sci',-1);

exec('valorRMS.sci', -1);

// Selecionar Arquivo de trabalho

nomearq = uigetfile("*.*", pwd(), "Escolha um arquivo");

mD = fscanfMat(nomearq);

vt = mD(:,1);

vfx = mD(:,2);

vfy = mD(:,3);

vfz = mD(:,4);

// sinal em bruto

//xset("font size", 4); // estilo de fonte

//plot2d(vt, vfz);

//xstring(2,10,"sinal em bruto");

67

// SELECIONAR o Sinal util (intervalo para analise)

// Esse intervalo dever ser definido pelo usuario

// os valores podem ser vizualizados no sinal em bruto (Figura 0)

ti = 0 // tempo inicial [s]

tf = 20// tempo final [s]

texto_teste = "Ensaio 4 - 03";

tmin=3; // tempo inicial para gerar o valor médio [s]

tmax=6.5; // tempo final para gerar o valor médio [s]

fmin=225 // limite inicial do gráfico

fmax=825 // limite final do gráfico

// coordenadas do ponto inicial e final

ci = ti * 500 + 1;

cf = tf *500 +1;

vt = vt(ci:cf);

// recurso para zerar vetores de tempo que nao comecam com zero...

vt = vt(1:length(vt))- vt(1);

vfx = vfx(ci:cf);

vfy = vfy(ci:cf);

vfz = vfz(ci:cf);

CompJanela = 30;

vrmsT = tempo(vt, CompJanela);

vrmsFx = rms(vfx, CompJanela);

vrmsFy = rms(vfy, CompJanela);

vrmsFz = rms(vfz, CompJanela);

68

a=figure(0);

set(a, 'Background', 8)

xgrid(9)

set(gca(),"auto_clear","off") // = hold on equivalente do Matlab

xset("font size", 4); // estilo de fonte

plot2d(vrmsT, vrmsFz);

title (texto_teste, "fontsize", 4);

xlabel('tempo [s]', "fontsize", 4);

ylabel('RMS da Força Axial (Fz) [N]', "fontsize", 4);

set(gca(),"auto_clear","on") // = hold off equivalente do Matlab

//Correção Gráfico - feat. Matheus Oliveira

for i=1:size(vrmsT,'r'),

if ((vrmsT(i)>=tmin) & (vrmsT(i)<=tmax)) then

t1(i)=vrmsT(i);

F1(i)=vrmsFz(i);

else

end

end

N=0;

for i=1:size(t1,'r'),

if (t1(i)==0) then

N=N+1;

end

end

T=t1(N+1:size(t1,'r'));

F=F1(N+1:size(F1,'r'));

b=figure(1);

set(b, 'Background', 8)

plot2d(T,F,rect=[tmin,fmin,tmax,fmax])

69

xgrid(9)

xset("font size", 4)

FValorRms = linspace (valorRMS(F), valorRMS(F),length(F))

plot2d(T, FValorRms, color("red")) // 'red' = cor vermelha

xstring(tmin+2,valorRMS(F)-100,"sinal rms - Fz ");

format(7)

xstring(tmin+2,valorRMS(F)-70, "RMS médio = " + string(valorRMS(F)) + " N");

title ("Valor Médio", "fontsize", 4);

xlabel('tempo [s]', "fontsize", 4);

ylabel('RMS da Força Axial (Fz) [N]', "fontsize", 4);

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