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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 4.3 – Ensaio 1 – 2ª Réplica (Elaborado pelo Autor) 47
FIGURA 4.4 – Deposição de Material na Aresta de Corte (Fotografado pelo Autor) 48
FIGURA 4.5 – Ensaio 1 – 3ª Réplica (Elaborado pelo Autor) 49
FIGURA 4.6 – Ensaio 2 – 1ª Réplica (Elaborado pelo Autor) 50
FIGURA 4.7 – Ensaio 2 – 2ª Réplica (Elaborado pelo Autor) 51
FIGURA 4.8 - Ensaio 2 – 3ª Réplica (Elaborado pelo Autor) 52
FIGURA 4.9 – Ensaio 3 – 1ª Réplica (Elaborado pelo Autor) 54
FIGURA 4.10 – Ensaio 3 – 2ª Réplica (Elaborado pelo Autor) 55
FIGURA 4.11 – Ensaio 3 – 3ª Réplica (Elaborado pelo Autor) 56
FIGURA 4.12 – Ensaio 4 – 1ª Réplica (Elaborado pelo Autor) 57
FIGURA 4.13 – Ensaio 4 – 2ª Réplica (Elaborado pelo Autor) 58
FIGURA 4.14 – Ensaio 4 – 3ª Réplica (Elaborado pelo Autor) 59
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:
D = diâmetro da broca (mm);
f = avanço (mm/volta);
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:
D = diâmetro da broca (mm);
29
f = avanço (mm/volta);
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:
D = diâmetro da broca (mm);
f = avanço (mm/volta);
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
FIGURA 4.3 – Ensaio 1 – 2ª Réplica (Elaborado pelo Autor)
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
FIGURA 4.5 – Ensaio 1 – 3ª Réplica (Elaborado pelo Autor)
4.2.2. - Ensaio 2
Material = Aço 1020
Rotação do Eixo Árvore = 1200 rpm
Tipo de Broca = Broca Helicoidal de Aço Rápido
Diâmetro da Broca = 9 mm
Vc = 33,93 m/min
Comprimento do Furo = 30 mm
Quantidade de Réplicas = 3
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).
FIGURA 4.6 – Ensaio 2 – 1ª Réplica (Elaborado pelo Autor)
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.
FIGURA 4.7 – Ensaio 2 – 2ª Réplica (Elaborado pelo Autor)
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
Rotação do Eixo Árvore = 1200 rpm
Tipo de Broca = Broca Helicoidal de Aço Rápido
Diâmetro da Broca = 9 mm
Vc = 33,93 m/min
Furo passante de 25 mm
Quantidade de Réplicas = 3
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
FIGURA 4.9 – Ensaio 3 – 1ª Réplica (Elaborado pelo Autor)
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
FIGURA 4.10 – Ensaio 3 – 2ª Réplica (Elaborado pelo Autor)
56
FIGURA 4.11 – Ensaio 3 – 3ª Réplica (Elaborado pelo Autor)
4.2.4. - Ensaio 4
Material = Alumínio
Rotação do Eixo Árvore = 3100 rpm
Tipo de Broca = Broca Helicoidal de Aço Rápido
Diâmetro da Broca = 6,5 mm
Vc = 63,3 m/min
Furo passante de 25 mm
Quantidade de Réplicas = 3
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.
FIGURA 4.12 – Ensaio 4 – 1ª Réplica (Elaborado pelo Autor)
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).
FIGURA 4.13 – Ensaio 4 – 2ª Réplica (Elaborado pelo Autor)
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.
FIGURA 4.14 – Ensaio 4 – 3ª Réplica (Elaborado pelo Autor)
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
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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);