ARTHUR MENEZES DE ALMEIDA RA: 09201801 GLEDISTON GOMES DE ALMEIDA RA: 09291586 HUGO VERÍSSIMO APOLLO DOS SANTOS RA: 09290944 LETÍCIAFERREIRA DE ARAUJO RA: 09290873 ROBERTO APARECIDO DA SILVA RA: 09290979 THIAGO FAUSTINO RA: 09204360 A EVOLUÇÃO DOS PROCESSOS DE PRODUÇÃO São Paulo 2009 ARTHUR MENEZES DE ALMEIDA RA: 09201801 HUGO VERÍSSIMO APOLLO DOS SANTOS RA: 09290944 GLEDISTON GOMES DE ALMEIDA RA: 09291586 LETÍCIA FERREIRA DE ARAUJO RA: 09290873 ROBERTO APARECIDO DA SILVA RA: 09290979 THIAGO FAUSTINO RA: 09204360 A EVOLUÇÃO DOS PROCESSOS DE PRODUÇÃO Trabalho apresentado como exigência parcial para a disciplina Atividades de Engenharia, do curso Engenharia de Produção da Universidade Anhembi Morumbi, sob a orientação do Professor Calafiori São Paulo 2009 SUMÁRIO 1.INTRODUÇÃO....................................................................................................................4 2.A ENGENHARIA DE PRODUÇÃO.....................................................................................6 3.COMO SURGIU A ENGENHARIA DE PRODUÇÃO...................................................7 4.ABEPRO – Associação brasileira de engenharia de produção........................................7 5.O ENGENHEIRO DE PRODUÇÃO.....................................................................................8 6.HISTÓRIA DOS PROCESSOS DE FABRICAÇÃO.....................................................10 7.CONFORMAÇÃO MECÂNICA......................................................................................14 7.1Extrusão...............................................................................................................................14 7.2 Princípios do corte e da dobra............................................................................................22 7.3 Procedimento de dobra.......................................................................................................24 8.CONFORMAÇÃO MECÂNICA AUTOMATIZADA...................................................26 8.1 Dobrando, cortando e forjando automaticamente................................................................26 8.2 Cortando automaticamente.................................................................................................27 8.3 Forjando automaticamente..................................................................................................29 8.4 Corte com jato de Água..................................................................................................................30 8.5 Corte com laser...................................................................................................................33 8.6 Oxicorte..............................................................................................................................35 8.7 Corte com plasma...............................................................................................................39 9.SOLDAGEM AUTOMATIZADA.....................................................................................42 10.PROCESSOS DE FABRICAÇÃO..................................................................................47 10.1 Usinagem..........................................................................................................................47 10.2 Torno mecânico.................................................................................................................47 10.3 Usinagem por feixe de elétrons.........................................................................................47 10.4 Usinagem por ultra-som....................................................................................................52 10.5 Usinagem química e usinagem eletroquímica...................................................................55 11.COMPARAÇÃO DOS MÉTODOS DE USINAGEM...................................................61 12.CONCLUSÃO - PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: TENDÊNCIAS E PERSPECTIVAS...................................................................................................................64 13.REFERÊNCIAS................................................................................................................68 3 1.INTRODUÇÃO Fabricar é transformar matérias-primas em produtos acabados, por uma variedade de processos. A idéia de fabricar teve início a milhares de anos, quando o homem pré-histórico percebeu que, para sobreviver, precisava de algo mais que pernas e braços para se defender e caçar. Sua inteligência logo o ensinou que se ele tivesse uma pedra nas mãos, seu golpe seria mais forte, e se a pedra tivesse um cabo esse golpe seria mais forte ainda. Se essa pedra fosse afiada poderia cortar a caça e ajudar a raspar a peles dos animais. Nesse período não existiam máquinas-ferramenta propriamente ditas e o torno foi uma das primeiras e mais importantes máquinas-ferramenta, porque dele derivaram todas as máquinas operatrizes que existem atualmente. Ele se caracteriza por dois movimentos: a rotação da peça e o avanço da ferramenta. O torno primitivo era um instrumento rudimentar composto de dois suportes de madeira fincados no chão. Enquanto o torneiro apoiava a ferramenta em um outro suporte, seu ajudante fazia girar a peça puxando alternadamente as duas pontas de uma corda enrolada em um eixo. O torneamento era intermitente e o corte só acontecia quando o giro se fazia na direção do fio da ferramenta. A fresadora também encontra suas origens nesse mesmo torno primitivo. O fresamento, como o torneamento, caracteriza-se pela remoção de material mediante uma sincronização de movimentos. A diferença está no fato de a ferramenta, em geral de dentes múltiplos, girar enquanto a peça, fixa, avança em movimento linear. Os métodos modernos de usinagem de metais pelo uso de materiais abrasivos têm sua origem remota nos procedimentos para afiar instrumentos e ferramentas de corte e para polir metais usados desde a pré-história. Inicialmente, a afiação e o polimento eram feitos movimentandose a peça e mantendo fixa a pedra de afiar. Por volta de 600 a.C., a usinagem passou a ser feita com uma pedra redonda e grossa montada sobre um eixo e movimentada manualmente por meio de uma manivela. Serrar e fazer furos são também técnicas muito antigas. Os egípcios, 4000 a.C faziam orifícios paralelos muito próximos uns do outros usando uma furadeira de arco.Tornear, afiar, polir, serrar, furar, soldar... Não se pode pensar nos processos de fabricação da indústria mecânica 4 moderna sem essas operações. Mudaram os materiais, aperfeiçoaram-se os mecanismos, descobriram-se formas de fazê-los funcionar sem que precisasse empregar força humana ou animal. Mas tudo o que o “Homo Sapiens”, nosso ilustre antepassado, pensou como princípio chegou até nossos dias intocado. Hoje temos a tecnologia acoplada aos processos, e o homem praticamente não usa sua força física pra a fabricação de uma vasta quantidade de produtos. A automação, o CAD/CAM, os robôs, o CNC, o plasma, o laser, e etc, são alguns dos reflexos da evolução dos processos. Assim, surgem algumas perguntas: Como exatamente o homem chegou a esse estágio de evolução dos processos produtivos? Quais são eles? Quais serão os impactos sociais que essa evolução trará? Quais são os futuros para os métodos convencionais? O que se espera do profissional do futuro? Como surgiu a Engenharia de Produção? O que um Engenheiro de Produção faz? O que se espera dele como profissional? Desta forma, surge uma grande necessidade de se conhecer a Evolução dos processos de Produção. 5 2. A Engenharia de Produção Definições: en.ge.nha.ri.a sf (engenho+aria) 1 Arte pro.du.ção sf (lat productione) 1 Ato ou efeito de produzir; fabricação, manufatura; extração; geração. 2 Coisa produzida naturalmente ou pelo trabalho; produto A engenharia de Produção trata do projeto, aperfeiçoamento e implantação de sistemas integrados de pessoas, materiais, informações, equipamentos e energia, para a produção de bens e serviços, de maneira econômica, respeitando os preceitos éticos e culturais. Tem como base os conhecimentos específicos e as habilidades associadas as ciências físicas, matemáticas e sociais, assim como os princípios e métodos de análise da engenharia de projeto para especificar, predizer e avaliar os resultados obtidos por tais sistemas (Definição da American Industrial Engineering Association) De modo simples e fácil entendimento podemos dizer que a Engenharia de Produção dedicase à concepção, melhoria e implementação de sistemas que envolvem pessoas, materiais, informações, equipamentos, energia e o ambiente. Ela é uma engenharia que está associada às engenharias tradicionais, porém, um pouco menos tecnológica, mas não deixando de ser, na medida que é mais abrangente e genérica, englobando um conjunto maior de conhecimentos e habilidades, para que utilizando-se desse conhecimento especializado em matemática, física e ciências sociais, em conjunto com análise e projeto de engenharia, ela possa especificar, prever e avaliar os resultados obtidos por tais sistemas. De modo geral, a Engenharia de Produção, ao enfatizar as dimensões do produto e do sistema produtivo, encontra-se com as idéias de projetar produtos, viabilizar produtos, projetar sistemas produtivos, viabilizar sistemas produtivos, planejar a produção, produzir e distribuir produtos que a sociedade valoriza. Essas atividades, tratadas em profundidade e de forma integrada por esta engenharia, são de grande importância para a elevação da competitividade do país. de aplicar os conhecimentos científicos à invenção, aperfeiçoamento ou utilização da técnica industrial em todas as suas determinações. 6 3. Como surgiu a engenharia de produção Durante o século XIX ocorreu uma revolução que mudou para sempre a forma do homem trabalhar, de pensar, de produzir... mudou para sempre a relação do homem com a máquina. Essa revolução teve origem na Inglaterra e logo se espalhou para o resto do mundo. Esse fato histórico ficou denominado "Revolução Industrial". Com o progresso no setor industrial da época, surgiu a necessidade de organizar e administrar complexos sistemas de produção; nascendo aí a Engenharia de Produção, que em meio a esse processo, fincou suas bases. Contudo, foi no início deste século que a sua difusão foi intensificada, fundamentando-se basicamente na indústria metalo-mecânica. Outros fatores como o recente desenvolvimento japonês e a adoção da temática da Qualidade & Produtividade como pontos centrais nas empresas e organizações privadas, públicas, industriais, serviços e de governos, consolidaram essa difusão. Em sua origem, ela iniciou-se com o nome de Engenharia Industrial sendo preconizado por F.W. Taylor, Frank e Lillian Gilbreth, H.L. Gantt, Walter A. Shewart, Henry Fayol, dentre outros. Para mais tarde, com o advento da produção em massa, difundida por Henry Ford, e posteriormente a produção enxuta, concebida por Taichii Ohno dentro da Toyota, Engenharia Industrial ganhasse grande destaque mundial. No Brasil, desenvolveu-se com o nome de Engenharia de Produção, a partir de 1950. A Engenharia de Produção nasceu dentro da Engenharia Mecânica e por isso se dedicou inicialmente aos sistemas físicos. Na década de setenta, notou-se mesmo no Brasil, que os conceitos e métodos próprios da Engenharia de Produção ganharam notável desenvolvimento e tornaram-se independentes de qualquer área tecnológica sendo aplicada a todas as áreas clássicas das engenharias. A Engenharia de Produção é uma habilitação específica derivada de qualquer uma das seis grandes áreas da engenharia. Assim, existem cursos de Engenharia de Produção Plena (envolvendo todas as seis grandes áreas), Engenharia de Produção Elétrica, Engenharia de Produção Civil, Engenharia de Produção Mecânica, etc. 4. ABEPRO - Associação brasileira de engenharia de produção A ABEPRO é a instituição representativa de docentes, discentes e profissionais de Engenharia de Produção. A associação atua há mais de 20 anos assumindo as funções: de esclarecer o papel do Engenheiro de Produção na sociedade e em seu mercado de atuação, ser interlocutor 7 junto às instituições governamentais relacionadas à organização e avaliação de cursos (MEC e INEP) e de fomento (CAPES, CNPq , FINEP e órgãos de apoio à pesquisa estaduais), assim como em organizações privadas, junto ao CREA , CONFEA, SBPC, ABENGE e outras organizações não governamentais que tratam a pesquisa, o ensino e a extensão da engenharia. 5. O engenheiro de produção O ENGENHEIRO DE PRODUÇÃO DEVE TER UMA SÓLIDA FORMAÇÃO CIENTÍFICA E PROFISSIONAL GERAL QUE O CAPACITE A IDENTIFICAR, FORMULAR E SOLUCIONAR PROBLEMAS LIGADOS ÀS ATIVIDADES DE PROJETO, OPERAÇÃO E GERENCIAMENTO DO TRABALHO E SISTEMAS DE PRODUÇÃO DE BENS E/OU SERVIÇOS, CONSIDERANDO SEUS ASPECTOS HUMANOS, ECONÔMICOS, SOCIAIS E AMBIENTAIS, COM VISÃO ÉTICA E HUMANA, EM ATENDIMENTO ÀS DEMANDAS DA SOCIEDADE. Suas habilidades e competências: • Dimensionar e integrar recursos humanos e financeiros a fim de produzir com eficiência e ao menor custo, considerando a possibilidade de melhorias contínuas; • Utilizar ferramental matemático e estatístico para modelar sistemas de produção e auxiliar na tomada de decisões; • Ser capaz de projetar, implementar e aperfeiçoar sistemas, produtos e processos, levando em consideração os limites e as características das comunidades envolvidas; • Prever e analisar demandas, selecionar tecnologias e know-how, projetando produtos ou melhorando suas características e funcionalidades; • Incorporar conceitos e técnicas de qualidade em todo o sistema produtivo, tanto nos seus aspectos tecnológicos quanto organizacionais, aprimorando produtos e processos, e produzindo normas e procedimentos de controle e auditoria; • Prever a evolução de cenários produtivos, percebendo a interação entre as organizações e os seus impactos sobre a competitividade; • Acompanhar os avanços tecnológicos, organizando-os e colocando-os a serviço da demanda das empresas e da sociedade; 8 • Compreender a inter-relação dos sistemas de produção com o meio ambiente, tanto no que se refere à utilização de recursos escassos quanto à disposição final de resíduos e rejeitos, atentando para a exigência de sustentabilidade; • Utilizar indicadores de desempenho, sistemas de custeio, bem como avaliar a viabilidade econômica e financeira de projetos; • Gerenciar e otimizar o fluxo de informação nas empresas utilizando tecnologia adequada. Atributos: • Compromisso com a ética profissional; • Iniciativa empreendedora; • Disposição para auto-aprendizado; • Excelente comunicação oral e escrita; • Leitura, interpretação e expressão por meios gráficos; • Visão crítica de ordens de grandeza; • Domínio de técnicas computacionais; • Domínio de língua estrangeira (pelo menos inglês); • Conhecimento da legislação pertinente; • Capacidade de identificar, modelar e resolver problemas; • Compreensão dos problemas administrativos, sócio-econômicos e do meio ambiente; • Responsabilidade social e ambiental; • Pensar globalmente e agir localmente. 9 6. História dos processos de fabricação Há milhares e milhares de anos, o homem fabrica objetos de pedra. Pedras lascadas, pontiagudas, maciças ou finas constituíram as primeiras ferramentas para a fabricação de utensílios. Durante muito tempo, o homem primitivo usou sua própria força muscular juntamente com ferramentas, armas e utensílios rudimentares para satisfazer às suas necessidades. Talhar a pedra foi o primeiro processo usado para a obtenção de objetos. O trabalho era difícil e lento, e a dureza das pedras impedia a fabricação de objetos com formatos mais complexos. Pode-se dizer que essa época representa o início do trabalho na vida do ser humano. O sílex, um tipo de pedra existente na natureza, era o material mais comum para fazer estacas, machados de caça, utensílios e, ainda, para raspar as peles de animais abatidos. Além de pedras, as primeiras ferramentas eram feitas de madeira, osso e chifre. 10 A pedra foi explorada de todas as formas como ferramenta. Entretanto, as ferramentas de pedra tinham a desvantagem de se desgastarem rapidamente. O homem continuou descobrindo novos materiais para fabricar ferramentas mais duradouras. Mas a substituição da pedra por metais, como matéria-prima para a fabricação de instrumentos de trabalho, foi um processo muito lento. Inicialmente, o cobre foi utilizado como um novo tipo de pedra. Logo o ser humano foi percebendo que se tratava de outro material, que, além de ser menos duro que a pedra, tinha um brilho especial. Com o decorrer do tempo, foram encontrados outros materiais com características semelhantes às do cobre. No início, a técnica utilizada para fabricar utensílios era a deformação a frio do material, por meio de golpes. Aquecendo os metais, o homem descobriu que conseguia mudar sua forma com maior facilidade. O fogo já era usado para aquecimento, proteção contra os animais e preparo dos alimentos. O homem primitivo percebeu que o cobre podia ser trabalhado com facilidade ao ser aquecido até certa temperatura, tornando-se maleável, isto é, mais mole. Desse modo foi possível transformar o cobre em muitos produtos com diferentes formatos. A técnica utilizada para deformar o metal por meio de golpes, a fim de fabricar utensílios e ferramentas, tornou-se conhecida como forjamento. Nossos antepassados eram mestres em forjar. Fabricavam ferramentas, recipientes e jóias. Na busca constante para aperfeiçoar os processos de fabricação, o homem resolveu aquecer mais os materiais sólidos até se fundirem. Aquecendo o cobre a uma temperatura próxima a 1.000ºC, descobriu-se que esse metal atingia seu ponto de fusão, isto é, o ponto em que passa do estado sólido para o estado líquido. O cobre em fusão era despejado em recipientes com cavidades e assumiam, assim, a forma do produto desejado. Com isso, o homem dava os primeiros passos para o desenvolvimento da fundição, que se tornava um novo processo de fabricação de objetos. Com a fundição, os produtos passaram a ser fabricados com maior rapidez e riqueza de detalhes. Além de ferramentas e armas, eram fabricados objetos de adorno, jóias, armaduras e utensílios de uso doméstico, como panelas e talheres. O bronze foi a primeira liga metálica descoberta pelo homem, ao fundir cobre misturado com pequenas quantidades de estanho. Trata-se de uma liga importante porque resulta num material mais duro e resistente à deformação. 11 Rapidamente, o bronze tornou-se o principal material utilizado na fabricação de ferramentas, armas e enfeites. Apresentava a vantagem de ser resistente e fácil de trabalhar. Era considerado de enorme valor, quase tanto quanto o ouro. Encontrado em quase todo o mundo, o ferro é um dos metais que o homem aprendeu a forjar há milhares de anos. Por volta de 1500 a.C., a superioridade do bronze começa a ser ameaçada pelo ferro, por ser facilmente encontrado em pequenos pedaços de rochas soltas na superfície da Terra. Os fundidores da época tinham grande dificuldade para trabalhar com o ferro porque ele é um material mais duro que o cobre e o bronze. Era necessária uma temperatura acima de 1.000ºC para o ferro passar do estado sólido ao líquido. Durante muito tempo, o homem tentou fundir o ferro. Para isso, procurou aperfeiçoar a técnica de aquecimento, construindo fornos que permitissem obter temperaturas suficientemente altas para levar o ferro à fusão. O homem aprimorou essa técnica, quando obteve alta temperatura e aqueceu o minério de ferro misturado com carvão, injetando ar dentro do forno. A fundição do ferro possibilitava a obtenção de produtos com elevada dureza por causa do carvão. Em alta temperatura, o carvão libera carbono que é absorvido pelo ferro. Entretanto, o ferro fundido dessa forma apresentava a desvantagem de ser quebradiço e de não poder ser forjado. Isso constituía novo problema a ser solucionado pelo homem. Ao observar o processo de fundição do ferro, o homem verificou que quanto menos carbono fosse absorvido pelo ferro, menos duro e menos quebradiço ficaria o produto final. Foi assim que a fundição possibilitou um grande aumento na produção de peças de ferro fundido. Dadas as vantagens técnicas, produtos que eram forjados em cobre ou bronze foram substituídos pelo ferro fundido. Nessa época, o homem dava os primeiros passos para a obtenção do aço, material mais importante da era dos metais. Por volta de 1800, teve início a industrialização. Ela é considerada recente, se comparada às épocas primitivas em que uma determinada forma de trabalho podia durar muitos anos, sem aperfeiçoamento. Alguns dos fatos que mais contribuíram para o desenvolvimento industrial foram: a rápida expansão do comércio; a necessidade de produção mais rápida e em grande quantidade. Aos poucos, o sistema artesanal foi sendo substituído por uma nova organização do trabalho para o aumento da produção. 12 O trabalho passou a ser dividido. O homem deixou de ter a visão de conjunto do processo de produção porque passou a ser encarregado da realização de apenas partes do trabalho, tornando-se especialista em determinadas tarefas e operações. Rapidamente, as máquinas tomaram conta do setor produtivo. Por causa disso, tornou-se comum o aparecimento de locais em que se concentravam máquinas e grupos de operários, organizados para a fabricação de grandes quantidades de peças, numa produção muito mais rápida e econômica. Surgiram as primeiras fábricas, dando início à fase industrial na história do homem. Com o desenvolvimento das indústrias, foi intensificada a utilização de novos materiais e de novos processos na fabricação. Ainda hoje, o homem se vê cercado de desafios que o levam à busca de novos materiais e de novos processos de fabricação. Os principais processos de fabricação na indústria mecânica são: Moldagem; Conformação; Corte; Junção Os processos de fabricação por moldagem consistem na produção de um corpo sólido a partir de um metal amorfo, ou seja, no estado líquido, de pó granulado ou de pasta. Exemplos de processos de fabricação por moldagem: Fundição - processo no qual o metal é derretido e depois despejado numa fôrma. Os produtos obtidos por esse processo são, por exemplo, blocos de motores, bases de máquinas etc. Sopro - processo de fabricação de recipientes de vidro, com auxílio do ar. Exemplos: garrafas, copos etc. Sinterização de pó metálico - aglutinação de partículas sólidas por aquecimento em temperatura inferior à de fusão. A bucha utilizada na mecânica é um exemplo de produto obtido por esse processo. Conformação é um processo de fabricação que, aos poucos, modifica um corpo sólido por meio de deformação plástica. Exemplos de processos de fabricação por conformação: Laminação - redução de um material em lâminas, por meio de roletes. Os perfis e as chapas são obtidos por esse processo. Extrusão - passagem forçada de um material por um orifício. Exemplos: tubos, perfilados etc. Repuxamento - utilizado para produzir peças a frio por meio do torno repuxador, como no caso da produção de panelas, recipientes etc. Trefilação - processo de fabricação por estiramento. Fios e cabos são obtidos por esse processo. 13 Processo de fabricação que consiste em retirar metal de uma superfície por meio de uma ferramenta. Exemplos de processos de fabricação por corte: Torneamento - processo no qual se corta com o torno, como no caso de pinos, eixos etc. Fresagem - consiste no corte com a fresa. Exemplos: engrenagens, rasgos para chavetas etc. Mandrilagem - processo de alisamento por meio de mandril. É usada, por exemplo, para alargar e alinhar furos. Aplainamento - processo de alisamento com plaina. Trata-se de processo empregado especialmente em peças de madeira. Retificação - consiste em dar acabamento e em alisar com perfeição uma peça. O processo de fabricação por junção consiste na união de uma ou mais peças. Exemplos: parafusamento, rebitagem, soldagem etc. 14 7. Conformação Mecânica 7.1 Extrusão Extrusão é um processo de conformação mecânica que consiste na compressão de um cilindro sólido, por exemplo, de metal alumínio, chamado de Tarugo, de encontro a um orifício existente em uma matriz (molde ou ferramenta), com o intuito de fazer o material fluir por esse orifício e formar um perfil extrusado, sob o efeito de altas pressões e elevadas temperaturas de trabalho. Todo o processo de extrusão ocorre com o metal no estado sólido, diferente do processo de injeção onde o metal está no estado líquido. A extrusão pode ser a frio ou a quente, sendo que normalmente quando é a quente o processo ocorre com o metal aquecido a uma faixa de temperatura que está diretamente atrelada ao metal e a liga que será extrusada. Pode-se dizer que a temperatura de extrusão para o alumínio, por exemplo, é de 450 a 540 graus Celsius, mas além do alumínio, é comercialmente comum extrusar os metais cobre, aços carbono e aços inoxidáveis. Extrusão Direta trata-se do processo onde a matriz fica fixa. O tarugo é colocado em um container (camisa) móvel. Os dois (camisa e tarugo) são aproximados e posicionados contra a matriz e um êmbolo (pistão) comprime este tarugo contra a matriz formando o perfil. Extrusão Indireta ou Inversa trata-se do processo de extrusão onde a matriz, que é fechada, e o container, estão fixos. O pistão, que dará o aperto no tarugo de alumínio que será extrusado, sempre é móvel, no entanto no processo de extrusão inversa o metal ao invés de escoar pela parte interna da matriz e sair do seu lado posterior, retorna sobre o pistão formando um copo ou um cartucho, por exemplo. Muitas indústrias produzem utilizando-se do processo de extrusão, além da indústria metalúrgica a indústria de alimentos é um bom exemplo disso. Na indústria de alimentos podem-se encontrar massas de diversos tipos de foram produzidas por extrusão, sem falar em ração para animais domésticos, comida para cães, gatos, peixes e coelhos, dentre muitos outros. Na indústria de plásticos, onde um excelente exemplo de produto confeccionado por extrusão são os forros de isolamento térmico em PVC, muito comum hoje em dia, bem como perfis para janelas e portas em PVC. O processo de extrusão foi iniciado no final do século 19, ou seja, é um processo muito novo. A extrusão do metal chumbo iniciou as pesquisas definitivas referentes ao processo e, durante a 15 segunda guerra mundial, a extrusão foi determinante para a fabricação de equipamentos militares na indústria aeronáutica. Basicamente a extrusão consiste em produzir peças com uma de suas três dimensões, demasiadamente aumentada em comparação às outras duas, ou seja, formam-se peças alongadas e com um enorme comprimento, chamadas de barras. No ramo da construção civil, o padrão de mercado para esta dimensão (comprimento das barras), normalmente é de seis metros, mas pode ser comercializado em comprimentos diferenciados. Quanto às outras duas dimensões (largura e espessura), comercialmente procura-se enquadrá-las dentro de medidas inscritas em círculos que variam de 2, 4, 6, 8 ou até mais polegadas de diâmetro. Muitas das peças atualmente produzidas são inferiores a 4 polegadas (+/- 101 mm) de diâmetro, mas existem peças enormes que hoje são produzidas por extrusão. No caso do metal alumínio, onde este processo de produção é muito conhecido e utilizado para produzir peças para as mais variadas aplicações, o nome do equipamento que produz as peça extrusadas se chama de Extrusora ou Prensa. Pelo processo de extrusão podem-se encontrar peças em vários ramos de atividade além das Indústrias de: Construção Civil (Portas, Janelas, Aberturas, dentre outras), Automotiva (Caminhões, Ônibus, Carretinhas, dentre outros), 16 Moveleira (Mesas, Cadeiras de Praia, Armários, Portas, dentre outros), Eletro-Eletrônica (Trocadores de Calor, Fios e Cabos), Metal-Mecânica (Barras em formatos maciços para a usinagem de peças diversas), Naval (Estrutura para Barcos, Mastros, etc.), Aeronáutica (peças de avião, suporte de poltronas, etc.), e armamentos (peças variadas de armas, corpo de pistolas, etc.), dentre muitas outras, onde as características de resistência mecânica aumentadas são relevantes, pois o processo de extrusão de metais proporciona este aumento devido a conformação mecânica na qual o metal é submetido. Devido aos enormes esforços que o metal sofre durante a extrusão as suas características metalúrgicas (estrutura, tamanho de grão, resistência, etc.) são alteradas e comprimidas, por exemplo, ocorre uma diminuição do tamanho de grão e um alongamento dos mesmos, aumentado a resistência mecânica após o tratamento térmico das peças. Uma extrusora basicamente comprime o metal aplicando elevadas Forças, geralmente em temperaturas também elevadas, contra uma matriz. Estas Forças dependem muito da geometria do produto a ser extrusado (se tubular ou maciço), do diâmetro (tamanho), da liga, e da quantidade de peças que serão extrusadas. Por exemplo, para perfis sólidos no formato de barras maciças redondas (vergalhões), com diâmetro de 1 polegada (25,40 mm), da liga ABNT 6063, utilizando um tarugo de 450 mm de comprimento, solubilizado e homogeneizado, aquecido a mais ou menos 500º Celsius, a pressão de trabalho esta na ordem de aproximadamente 70/90 KgF/cm², para uma extrusora de 4 polegadas (101 mm), com container (camisa aquecida), com Força na ordem de 1.250 toneladas. Para um perfil tubular redondo de espessura de parede na ordem de 2 mm, também de 1 polegada (25,4 mm) de diâmetro externo e com as demais características de trabalho e liga similares ao exemplo anterior, a pressão de trabalho esta na ordem de 150 a 180 KgF/cm², para a mesma máquina. Ou seja, os esforços mecânicos necessários também estão diretamente ligados a geometria da peça, fator preponderante para analisar a viabilidade da extrusão em uma dada extrusora, dentre outros fatores. O grande segredo da extrusão está no correto desenvolvimento da matriz (ferramenta) que será utilizada para realizar o desenvolvimento do perfil extrusado. Normalmente são feitas de aço ligado, e para trabalho a quente do tipo aço ferramenta H13, temperado, revenido (46/48 Rc) e 17 perfeitamente polido. Além disso, pode receber tratamento superficial de Nitretação Gasosa ou deposição de camadas protetivas como Nitretos de Titânio e Oxido de Alumínio, para reduzir o atrito que se dá entre o metal base da matriz (aço) e o metal que será extrusado (alumínio, por exemplo). Com isso acrescenta-se uma maior vida útil a uma matriz e podem-se produzir mais peças com a mesma matriz sem que ela venha a se desgastar e se inutilizar. Uma linha de extrusão é composta principalmente por uma prensa extrusora que é um equipamento hidráulico, normalmente posicionado na horizontal, acompanhado de um forno de aquecimento de tarugos, forno de aquecimento de matrizes, mesa de extrusão, mesa de estiramento, mesa de corte, carrinhos de armazenamento, forno de tratamento térmico e máquina embaladora, além disso, acompanham também, diversos sistemas de controle de pressão, controle de temperatura, controle de processo e computadores, que proporcionam controles a toda a linha produtiva. Tudo com pouca ou muita automatização de processo, já que existem linhas onde a influência humana está muito presente em todas as etapas produtivas, isso ocorre quando as peças produzidas possuem geometrias pequenas e os tarugos acompanham esta tendência, ou seja, são pequenos. Existem linhas produtivas que sequer um ser humano se faz presente, pois tratam-se de linhas onde são fabricadas peças grandes e utilizam tarugos pesados. Além da extrusora, o forno de aquecimento de matrizes, local onde são armazenas as matrizes (ferramentas) para serem aquecidas e poderem entrar em trabalho produtivo, se faz necessário. Seu dimensionamento está diretamente ligado a quantidade de tipos diferentes de matrizes e perfis extrusados que se deseja produzir em um dado tempo de trabalho. O forno de aquecimento de tarugos é um equipamento que serve para aquecer o tarugo de metal, antes de ser extrusado, facilitando assim o processo e aliviando os esforços para que a extrusão ocorra no caso da extrusão ser a quente. Ele pode ser aquecido a Gás GLP, Gás Natural, Óleo Diesel ou Eletricamente (indução ou resistências), onde o fator determinante para a escolha de qual sistema a adotar é o custo energético envolvido, deve ter um tamanho que seja suficiente para aquecer o material, deixá-lo em condições de ser extrusado, sem que ocorra a oxidação excessiva tanto externa como interna do metal. A mesa de extrusão pode possuir muita automatização, com sistema de Puller (Puxador automático 18 controlado por CLP) ou pouca automatização, com pessoas puxando as peças diretamente da frente da máquina. O metal após passar pela mesa de extrusão é transferido para uma que se chama de mesa de estiramento que, como o próprio nome diz, realiza o estiramento do metal, puxando-o para garantir a retilineidade e dimensional ao mesmo. A mesa de corte realiza o corte das barras para redução do comprimento da barra e nele a peça final é concluída, além disso, a mesa de corte serve para segregar as partes danificadas pelo processo de estiramento (pontas das barras, por exemplo). Todas estas mesas ainda podem ser agrupadas e serem transformadas em uma única mesa que realiza todo este trabalho automaticamente. Os carrinhos de transporte são os equipamentos que levam as barras produzidas até um forno de tratamento térmico. O forno de tratamento térmico é o local onde se agregam as características mecânicas ao metal, proporcionando que o mesmo obtenha maior resistência, normalmente o processo adotado é o processo de envelhecimento, para o metal alumínio. A máquina de embalagem embala os perfis automaticamente, liberando-os para o cliente. Todo este clico produtivo é seguido por inúmeras inspeções de qualidade, e como elevadas temperaturas e pressões estão presentes, a inspeção mecânica dos equipamentos e matrizes são constantes. Ao comprimir um tarugo, duas Forças são geradas, a Força de Atrito, que é aquela gerada entre o tarugo e as paredes internas do container (camisa) e a Força de Cisalhamento, que é aquela necessária para deformar o tarugo e fazê-lo passar pela matriz. A força de cisalhamento é função da temperatura, pois quanto maior for a temperatura, menor será a força de cisalhamento. Quanto menor for a temperatura mais força será necessária para cisalhar o metal, mais sofrerá a prensa e a matriz, no entanto, melhor serão as características do metal. Deve-se tentar trabalhar com o metal a uma temperatura mais baixa possível, para que não ocorram oxidações superficiais dos tarugos, oxidações internas no metal, imperfeições devido a estas oxidações, desgaste e amolecimento da matriz. No caso de haver um aquecimento indesejado devido ao atrito e a compressão contra a matriz, pode ocorrer o esfarelamento do metal. Quanto maior for a velocidade de extrusão, maior será a produção, no entanto, mais violenta será a deformação e o atrito resultante, por consequência haverá um aumento da temperatura do sistema. Todas estas variáveis devem ser periodicamente 19 controladas para um melhor acabamento dos perfis e um melhor resultado no processo. Com a correta compreensão da aplicação do perfil desejado, sendo que muitas vezes alguns perfis encaixam-se uns sobre os outros, o matrizeiro confecciona um desenho técnico do perfil a ser produzido. A informação de aplicação de um dado perfil e suas características técnicas deve ser fornecida pelo cliente. Este desenho pode ser feito partindo-se de uma amostra física ou um croqui com medidas. Antigamente o desenho era confeccionado manualmente sob um papel com nanquim, como numa planta baixa predial, com o advento da informática, esta técnica perdeu a sua agilidade, pois existem softwares modernos tipo CAD/CAM que constroem gráficos proporcionando agilidade, ganho de tempo, redução de custos, maior qualidade e acabamento do desenho, possibilidade de alterações imediatas localizadas e segurança técnica, já que simulações podem ser realizadas diretamente no computador, antes mesmo de nascer fisicamente a matriz ou o perfil de alumínio. Um desenho técnico deve possui todas as medidas necessárias para a confecção de um perfil extrusado, bem como, as tolerâncias dimensionais aceitáveis, sejam elas oriundas de Norma Técnica, ou impostas pelo próprio cliente, marcação de onde a superfície é visível, com ampliações em desenhos auxiliares, se for necessário. O desenho ainda deve apresentar a liga (no caso de metais), a dureza ou outra característica mecânica importante do perfil, do metal, da matriz, o tratamento térmico, a última alteração sofrida e o responsável pela sua elaboração, bem como a identificação do perfil, nome e número. Quanto mais informação relevante for anexada no desenho técnico de um perfil extrusado e de sua matriz, melhor será o resultado obtido, já que considera-se o desenho técnico o "planejamento do projeto" de um determinado perfil. Após a conclusão do desenho técnico do perfil e a sua aprovação pelo cliente, inicia-se a fabricação da matriz. O primeiro passo é a confecção de um eletrodo que pode ser de cobre ou grafite. Este eletrodo possuirá um sobre metal característico para que quando o perfil seja estirado pelo processo de estiramento, na mesa de extrusão, as medidas do perfil sejam garantidas e o perfil fique dentro do especificado pelo desenho técnico quanto as tolerâncias dimensionais. O eletrodo será utilizado pelo processo de eletro-erosão por penetração no aço, para a confecção da matriz. Paralelamente ao passo anterior, trabalha-se um bloco de aço para deixá-lo nas condições ideais de receber o eletrodo que realizará a eletro-erosão, usinando-o em tornos, fresas e plainas, tratando-o termicamente para atingir as características básicas de resistência mecânica desejada. 20 Em alguns casos pode-se aplicar além da eletro-erosão por penetração, também a eletro-erosão a fio, ambas tem a função de erudir o bloco de aço para gerar as cavidades por onde o metal irá fluir, dentro da matriz, originando o perfil desejado. Após a eletro erosão, realiza-se o polimento e a nitretação da matriz, deixando-a apta a ser trabalhada. Após a conclusão da matriz de extrusão, leva-se a mesma para a prensa extrusora e realiza-se a extrusão do perfil, analisando-se completamente todos os parâmetros produtivos básicos envolvidos, tais como, pressões, forças, tempos, temperaturas, produção, tolerâncias dimensionais e acabamento do perfil que foi produzido, estado final da matriz e tratamento térmico do próprio perfil de alumínio, inspecionando-os completamente e conferindo-os com os desenhos técnicos para liberá-lo e entrar em produção seriada. Apesar de todos os possíveis controles operacionais existentes, defeitos podem aparecer, são eles: Defeitos superficiais Trinca a quente - originária de temperaturas elevadas de trabalho. Arrancamento - originária da trinca da camada que fica estacionária dentro da "camisa" e que fica aderida na matriz. Anel de óxidos (coring) Como o centro do tarugo move-se mais rápido que a superfície, gera-se uma zona de imperfeição que pode se apresentar no perfil no final da extrusão. No centro está o metal mais "limpo", com o mínimo de impurezas se comparado a superfície. Na superfície do tarugo existe uma camada de óxidos oriunda do resfriamento do tarugo, quando de sua fabricação. Esta camada de óxido normalmente é a última parte a ser extrusada, ou fica retida na pastilha sólida que será rejeitada quando a extrusão termina. Dependendo de como for o fluxo da extrusão, devido a geometria da matriz (perfil a ser formado), esta camada superficial pode se infiltrar e aparecer na superfície do perfil extrusado, não ficando retida na pastilha de alumínio (parte residual da extrusão). Este defeito pode ser muito grave, pois dada a utilização que terá o perfil, esta camada poderá ser um ponto frágil, já que mesma não proporciona um perfeito caldeamento (soldagem) do alumínio, na zona onde ela aparece. Isso é mais sério em perfis tubulares, mas também aparece em perfis sólidos. Somente retirando-se esta camada de óxido superficial existente no tarugo, é que se pode minimizar ou até eliminar a possibilidade de existência deste defeito, ou seja, para não se apresentar este 21 defeito ele não deve estar presente é no tarugo. Bolhas As bolhas podem ser originárias de vários motivos, desde a retenção de hidrogênio ou ar aprisionado no metal quando de sua fundição para a formação do tarugo, como de ar que fica aprisionado entre a matriz e a frente da pastilha de aço, ambos dentro da camisa. Nesta zona (matriz, alumínio, pastilha de aço e interno da camisa) pode acontecer o acúmulo de ar que não consegue ser expelido no momento da extrusão, migrando para a zona de extrusão e sendo expelido de dentro para fora no perfil extrusado. Pode aparecer tanto no início como no fim da extrusão. Recomenda-se que exista um espaço entre a pastilha de aço e o interior da camisa, para que este ar possa ser expelido. Casca de laranja O defeito de casca de laranja pode ser ocasionado pelo puller, no momento da extrusão, ou pelo estiramento, logo após a extrusão. Como a função do estiramento é de esticar e endireitar o perfil extrusado, trazendo-o para dentro das tolerâncias dimensionais exigidas por norma, ou pelo cliente, este estiramento se for feito em demasia, pode acarretar diferentes tensões entre a superfície do metal e seu interior, um deformando-se mais do que o outro, havendo assim um "enrugamento" do perfil. Percebe-se este defeito com mais freqüência em peças (tubos) com paredes grossas e em vergalhões. Solda transversal Muito similar ao defeito anterior. Trata-se da existência de óxidos superficiais indesejados na junção superfície de contato matriz e superfície de contato do tarugo. Ponta do tarugo. Esta superfície oxidada de alumínio, pode se estender por toda a peça extrusada gerando pontos frágeis em peças com elevada responsabilidade mecânica e deve ser evitada. Proteção atmosférica seria uma alternativa, outra seria a usinagem, desbaste da ponta do tarugo. No caso de ficar alumínio retido no interior de uma matriz e a mesma ser reaquecida, existe a possibilidade desta camada de óxido ser mais espessa também originando este defeito. Deve-se minimizar ou eliminar qualquer tipo de óxido superficial existente no processo. 22 Solda longitudinal Este tipo de defeito ocorre quando os óxidos, sejam eles oriundos do tarugo ou de alumínio que foi reaquecido em uma matriz, alinha-se longitudinalmente em todo o perfil extrusado. Este defeito é muito comum e visível em perfis tubulares redondos, onde no momento da extrusão o tarugo de alumínio é subdividido no interior da matriz, levando com ele em cada parte, um pouco de óxido (normalmente da superfície do tarugo) que quando do momento do caldeamento (soldagem) não deixa que o metal realmente forme uma massa sólida e homogênea, gerando uma linha de óxidos em toda a extensão da peça extrusada. A cor dessa camada de óxido ressalta aos olhos, pois possui um tom escuro, cinza escuro, em todo o comprimento do perfil. Deve-se minimizar ou eliminar qualquer tipo de óxido superficial existente no processo. Manchas escuras que esfarelam Este tipo de defeito refere-se a impurezas oriundas do interior do tarugo de alumínio. Podem ser escória (óxido) que ficou retida no interior do tarugo, quando o mesmo não é filtrado no momento do vazamento. Quando esta escória é fina, espalha-se sobre a superfície do perfil extrusado, ao longo de todo ele ou em pontos isolados, deformando-o. Quando esta escória é grosseira, depositase parcialmente na superfície do perfil deformando-o ou deposita-se na superfície da matriz servindo como um tampão, não deixando com que o perfil se forme em sua totalidade. Pode gerar frisos indesejados, por exemplo. A alumina (óxido de alumínio) é muito mais dura que o aço e dependendo de como este óxido se aloja na matriz, pode deformá-la definitivamente. Para corrigir este defeito, devem-se filtrar os tarugos de alumínio eliminando-se definitivamente este tipo de macro-óxido de seu interior. Ondas indesejadas na superfície do perfil Observa-se este defeito, logo após a extrusão e antes do estiramento. Trata-se da oscilação da pressão, no momento da extrusão, que deixa sua marca no perfil de alumínio. O perfil extrusado fica com um aspecto superficial de pequenas e infinitas lombadas e mini-calombos. O estiramento normalmente corrige este defeito de processo produtivo. 7.2 Princípios do corte e da dobra 23 O corte é um processo de fabricação em que uma ferramenta, com duas cunhas de corte, que se movem uma contra a outra, provoca a separação de um material por cisalhamento. Cisalhamento é a deformação que um corpo sofre devido à ação de forças cortantes opostas. As cunhas de corte são também chamadas de faca ou punção e matriz. O punção é pressionado contra o material e a matriz, de tal modo que para efetuar o corte é preciso aplicar uma certa força. A essa força se dá o nome de esforço de corte. Durante o corte, quando o punção pressiona o material contra a matriz, aparecem, inicialmente, no material deformações elásticas. Logo a seguir, surgem deformações plásticas em ambos os lados da chapa a ser cortada. Em seguida, com a pressão contínua do punção contra a matriz, o material começa a trincar. Essas trincas de ruptura, ao se unirem, separam a peça da chapa. Uma característica do corte é que a separação de materiais acontece sem a formação de cavacos. Um corte perfeito, sem rebarbas, é obtido quando as trincas, que se iniciam nos fios de corte, se encontram. Para que isso ocorra, é preciso haver uma folga adequada entre o punção e a matriz, conhecida como folga de corte. Ela é calculada conforme o material a ser trabalhado, sua espessura e sua resistência à tração. Observe uma representação do corte de uma chapa. A dobra é um processo de fabricação em que uma ferramenta composta por um conjunto de duas ou mais peças exerce uma força sobre uma superfície, alterando-a. A chapa, plana, é alterada, obtendo-se a mesma forma encontrada tanto no punção quanto na matriz. As operações de dobra são utilizadas para dar forma a peças e a perfis. Ferramenta de corte e de dobra O estampo é a ferramenta usada nos processos de corte e de dobra. Compõe se de um conjunto de peças ou placas que, associado a prensas ou balancins, executa operações de corte e de dobra para produção de peças em série. Durante o processo, o material é cortado de acordo com as medidas das peças a serem estampadas, a que se dá o nome de tira. Quando cortamos numa tira de material as formas de que necessitamos, a parte útil obtida recebe o nome de peça. O restante de material que sobra chama-se retalho. Partes do estampo de corte 24 De modo geral, os estampos de corte são formados por dois conjuntos de peças: o superior e o inferior. O conjunto superior é a parte móvel do estampo. É fixada à máquina, realiza movimentos de “sobe-desce” e apresenta os seguintes componentes: espiga, placa superior, placa de choque, placa porta-punções , punções e faca de avanço. O conjunto inferior é a parte imóvel do estampo. É fixada à máquina e apresenta os seguintes componentes: placa-guia, guias laterais, placa-matriz e placa-base. Conjunto inferior Placa-guia é uma placa de aço 1020 a 1030 que tem a função de guiar os punções e pilotos centradores nas cavidades cortantes da matriz. A espessura da guia varia conforme o tamanho do estampo, o curso e a função dos punções. Guias laterais são duas peças de aço 1040 a 1060 colocadas na lateral da placa-matriz. Podem ser temperadas e revenidas. Sua função é guiar a tira de material a ser cortado. Placa-matriz é uma placa de aço com elevado teor de carbono, temperada, revenida e retificada, com cavidades que têm a mesma secção dos punções. Tem a função de reproduzir peças pela ação dos punções. As placas-matrizes podem ser inteiriças, quando constituídas de uma única peça, ou seccionadas, quando constituídas de várias peças utilizadas nos estampos de grandes dimensões. Placa-base é uma placa que serve de apoio à placa-matriz e fixada a ela por meio de parafusos e pinos de guia. É construída em aço 1020 a 1030. Quando a peça já cortada sai pela parte inferior da matriz, a placa-base tem sempre uma cavidade com dimensão maior para facilitar a saída. Partes do estampo de dobra O estampo de dobra é também conhecido como dobrador. É formado de punção e matriz e, geralmente, guiado pelo cabeçote da prensa ou placa-guia. O punção é uma peça de aço, temperada e revenida, cuja parte inferior tem um perfil que corresponde à superfície interna da peça. Pode ser fixado diretamente no cabeçote da prensa ou por meio da espiga. A matriz é de aço e sua parte superior tem a forma da parte exterior da peça. Pode ser fixada diretamente sobre a mesa da prensa. Geralmente, é sobre a matriz que se 25 fixam as guias do material da peça, que são elementos adaptados ao estampo para dar uma posição adequada de trabalho. 7.3 Procedimento de dobra Com um estampo simples de dobrar podemos conseguir vários perfis, mudando somente a posição da peça para obter a forma desejada. Devido à recuperação elástica, uma peça que foi dobrada tende a voltar à sua forma inicial. Por isso, é preciso, ao dobrar, calcular um ângulo menor do que o desejado para que depois da recuperação elástica a forma fique com as dimensões previstas. Outros fatos a considerar no processo são: • A peça comprime-se na parte interna da dobra e estende-se na parte externa; • Existe uma região na peça dobrada onde não ocorre deformação por tração nem por compressão. É onde se localiza a chamada linha neutra, que é utilizada para os cálculos do estampo de dobra. • Quando se dobra uma chapa com um raio interno muito pequeno, ela pode trincar, romper, ter uma redução de espessura, e, conseqüentemente, perder a resistência desejada. Por isso, existem cálculos para o raio mínimo a ser observado, dependendo do material com que se trabalha. • Na ação de dobrar, a força a ser aplicada também é calculada, de modo que se defina a prensa adequada para realização do trabalho. Estampo misto: corte e dobra Existem estampos mistos cujas estruturas são o resultado da união dos estampos de corte e de dobra. Os estampos mistos realizam as duas operações, tanto de corte como de dobra. 26 8. Conformação mecânica automatizada 8.1 Dobrando, cortando e forjando automaticamente Embora ainda bastante raras na indústria nacional, as prensas dobradeiras controladas por computador permitem a fabricação de peças de geometria complicada em tempos reduzidos quando comparados aos processos convencionais. Com prensas convencionais, para se produzir uma peça com muitas dobras, ou muitos vincos, como se costuma dizer, é necessário ajustar a máquina várias vezes, praticamente a cada dobra. Para se evitar esse problema, costuma-se, então, usar várias prensas, uma para cada operação. Assim, são necessárias várias máquinas e seus respectivos operadores para fazer o que uma máquina controlada por computador pode fazer sozinha. As prensas dobradeiras comandadas por computador permitem a fabricação completa de uma peça por vez, porque após cada dobra, é capaz de ajustar-se automaticamente para a dobra seguinte. Este tipo de máquina pode ser visto na figura a seguir. Essa prensa dobradeira conta com uma série de motores elétricos e cilindros pneumáticos e hidráulicos. Estes motores e cilindros são chamados de atuadores, pois exercem uma determinada ação sobre uma parte qualquer da máquina. Cada um desses atuadores é responsável por um movimento da máquina. 27 O programador da máquina tem a tarefa de “ensinar-lhe” a seqüência de passos, ou seja o programa, necessários à obtenção de uma peça, como, por exemplo, a seqüência mostrada na ilustração a seguir. Um programa é composto por uma série de instruções formadas por códigos que o computador é capaz de entender e que são introduzidos em sua memória pelo teclado. Alguns computadores, ou comandos numéricos, para usar o termo mais conhecido na indústria, dispõem de maneiras mais simples para a elaboração de programas. Eles mostram, na tela, pequenos desenhos com os tipos de dobras que podem ser feitas. O programador só precisa, então, selecionar quais dobras são necessárias para a fabricação da peça e em que seqüência elas deverão ocorrer. Além disso, para alguns comandos numéricos, informa-se no programa o tipo de material a ser dobrado e a espessura da chapa. Com esses dados, o comando é capaz de selecionar a pressão adequada que o punção deverá exercer sobre a chapa de modo que se obtenha a dobra desejada. Antes de executar o programa de dobramento da peça na própria máquina, o programador pode observar graficamente, na tela do computador, a seqüência de passos programados. Isto é chamado de simulação do programa. A simulação ajuda na correção de erros, reduzindo-se, assim, a obtenção de peças fora das características desejadas. Além disso, a simulação ajuda a prevenir acidentes durante a operação automática do equipamento. De acordo com o programa, o comando numérico envia “ordens” aos atuadores da máquina. Estas ordens, na verdade, são sinais elétricos que fazem um motor girar de um certo ângulo ou um cilindro pneumático efetuar um determinado deslocamento. Uma dobradeira comandada por computador apresenta como já dissemos vários atuadores. O movimento associado a um atuador é chamado de eixo e a ele atribui-se uma letra. Na figura a seguir, temos uma vista esquemática de uma prensa dobradeira mostrando seus vários eixos. 28 Antes da produção de cada dobra, os componentes da máquina deverão assumir uma determinada posição. O operador, então, introduz a chapa a ser dobrada entre o punção e a matriz e pressiona um pedal que está ligado ao comando numérico. O passo correspondente do programa é executado, o punção desce e a dobra é feita. Após a retirada da chapa, os componentes da máquina assumem uma nova posição. O processo se repete para cada nova dobra até o final do programa. O operador pode acompanhar, através de um desenho mostrado na tela do comando numérico, qual a operação seguinte do programa. 8.2 Cortando automaticamente Máquinas de comando numérico também podem executar operações de corte. Um tipo de puncionadeira comandada dessa forma pode ser visto na ilustração a seguir. A mesa da máquina é fixa e sobre ela são encaixadas esferas chamadas de esferas transferidoras. A chapa a ser trabalhada é colocada sobre essas esferas, de forma que, quando for movimentada, o atrito seja pequeno. Junto à coluna da máquina existe o arrastador de chapa. O arrastador é um conjunto mecânico que prende uma das bordas da chapa por meio de garras e pode se movimentar segundo os eixos X e Y, mostrados na ilustração. Estes movimentos, realizados por motores elétricos de acordo com o programa do comando numérico, fazem com que a chapa possa ser puxada ou empurrada sobre as esferas transferidoras ao longo de toda a mesa da máquina. A uma certa distância da coluna da máquina e acima da mesa, existe o cabeçote, no qual está montado o pistão hidráulico. Na extremidade deste pistão hidráulico, será montado o punção da ferramenta. Na mesa, abaixo da chapa e na mesma posição do cabeçote, existe um alojamento onde será encaixada a matriz da ferramenta. A puncionadeira pode trabalhar com várias ferramentas, cada uma das quais destinada a produzir na chapa uma determinada forma, cortando-a ou deformando-a. Um exemplo de ferramenta utilizada nas puncionadeiras pode ser visto na ilustração a seguir, que mostra três momentos do processo de corte da chapa realizado com a mesma ferramenta. 29 A ferramenta mostrada é especial pois pode girar de modo que execute cortes em ângulos diferentes. Além disso, necessita de uma máquina capaz de girá-la de acordo com o ângulo programado. Normalmente, no entanto, as ferramentas contêm punções e matrizes fixos. As ferramentas são presas ao porta-ferramentas que se encontra no arrastador de chapa. O conjunto de porta-ferramentas é denominado de magazine. Um magazine pode conter várias ferramentas Após uma determinada ferramenta efetuar sua operação, ela deve ser substituída pela ferramenta seguinte, de acordo com o programa executado pelo comando numérico. Para realizar a troca de uma ferramenta por outra, o arrastador de chapa no qual está fixado o magazine de ferramentas desloca-se até o cabeçote da máquina. O porta-ferramentas vazio do magazine, correspondente à ferramenta que está presa no cabeçote, encaixa-se nela e, com o auxílio de dispositivos mecânicos, pneumáticos ou hidráulicos, dependendo do tipo de máquina, retira, ao mesmo tempo, o punção, do cabeçote e a matriz, da mesa. Em seguida, o magazine afasta-se ligeiramente do cabeçote e desloca-se de modo que posicione a ferramenta seguinte. Fixa-se, então, de modo semelhante, o punção no cabeçote e a matriz na mesa. Agora, com a nova ferramenta já fixada, a chapa pode ser arrastada para as posições programadas e, por meio de movimentos sucessivos do pistão hidráulico, dar continuidade às operações de corte, dobra ou repuxo de acordo com as características da ferramenta utilizada. 8.3 Forjando automaticamente Além das prensas dobradeiras e puncionadeiras, as prensas mecânicas e hidráulicas destinadas à operações de conformação mecânica a frio e a quente também podem ser automatizadas. A complexidade dessa automação é bastante variável, dependendo da flexibilidade e do grau de independência em relação ao trabalho humano que se deseja para o processo. 30 As formas mais simples de automação de prensas contam unicamente com sistemas de alimentação da chapa que trabalham de maneira conjunta com a operação normal da máquina. Assim, entre um curso e outro do martelo da prensa, a chapa metálica é alimentada a partir de uma bobina e o retalho da chapa é recolhido em outra, numa operação seqüencial e repetitiva. Quando se trata de conformar peças a partir de chapas isoladas, pode-se utilizar manipuladores elétricos ou pneumáticos para carregar a máquina e, após a operação, retirar a peça acabada, depositando-a numa esteira transportadora, por exemplo. A flexibilidade do processo aumenta quando se utiliza os chamados robôs industriais para carregar e descarregar a máquina. É o que vemos na ilustração a seguir. Esses robôs, por intermédio de mudanças nos programas responsáveis pelos seus movimentos, são capazes de se adaptar a uma grande variedade de peças a serem manuseadas. Além disso, não estão sujeitos, como o homem, à fadiga e à maior probabilidade de ocorrência de acidentes de trabalho ocasionados por tarefas repetitivas. Nas operações de deformação a quente, como no forjamento, por exemplo, os robôs mostramse ainda mais úteis, pois substituem o homem em operações onde a exposição constante a altas temperaturas constituem um fator de risco à saúde humana. 8.4 Corte com jato de Água A água, combinada com a areia, já era usada pelos egípcios, na Antigüidade, em atividades de mineração e limpeza. Foi também utilizada nas minas de ouro da Califórnia, no século passado, para cortar rochas impregnadas de ouro. No nosso século, jatos de areia em conjunto com vapor de água a alta pressão têm sido freqüentemente empregados para limpeza e remoção de tintas. 31 Primeiras aplicações Em 1970, o corte por jato de água sob pressão foi desenvolvido para cortar materiais metálicos e não-metálicos. A água tinha de ser levada a uma pressão variando de 30.000 a 50.000 psi. O primeiro equipamento comercial de corte por jato de água foi vendido em 1971, para cortar peças de móveis de madeira laminada, material difícil de ser processado pelas serras. Em 1983, o processo para cortar metais foi modificado, com a adição de abrasivos, entre os quais se destacam as partículas de sílica e de granada. Desde a sua comercialização, no início dos anos 80, o jato de água com abrasivos vem sendo aceito como ferramenta de corte por um número cada vez maior de indústrias, incluindo as aeroespaciais, nucleares, fundições, automobilísticas, de pedras ornamentais, de vidros e de construção. Como funciona o jato de água O processo funciona basicamente da seguinte maneira: tratamento da água, a elevação da pressão da água, agregação de material abrasivo, corte do material e a coleta e descarte da água Abrasivos Quando se utiliza a tecnologia do jato de água com abrasivo para cortar metais e outros materiais duros, 90% do corte, na realidade, é feito pelo abrasivo e não pela água. O sistema de corte com jato de água e abrasivo produz um jato cortante mais potente. Esse jato deixa o cabeçote de corte através de um tubo de misturação, feito de material cerâmico, como a safira. Equipamentos para corte com jato de água e abrasivo Atualmente, há dois tipos de controle de movimentação manual: um em que o operador guia o sistema de corte e a recepção do jato sobre uma peça mantida fixa e outro, em que o operador guia a peça sobre uma mesa, em torno de um jato que é mantido em posição fixa. Outro equipamento disponível são as mesas X-Y, controladas por CNC, em várias configurações. 32 Nesse sistema, a peça é normalmente colocada sobre um tanque, que receberá o jato de água após o corte, e todos os movimentos são realizados pelo cabeçote, que se desloca sobre o pórtico e pela mesa. Mesa X-Y Variáveis que afetam o corte por jato de água e abrasivo Vários fatores influenciam o corte por jato de água e abrasivo. Para usinagem com jato de água, os principais parâmetros são: a pressão, o fluxo, o diâmetro do jato e o abarasivo e a distância e velocidade de corte. Analisando os prós e contras Ao lado de muitas vantagens, o sistema também apresenta algumas limitações, que tornam seu uso seletivo. Um dos principais atrativos desse corte é que ele não produz problemas de efeito térmico, é uma tecnologia “limpa”, que não polui o meio ambiente e é aplicável a uma vasta gama de materiais, ideal para cortar certos materiais duros como placas blindadas, alguns materiais cerâmicos, materiais do tipo sanduíches de múltiplas camadas, sem produzir delaminação. Quanto às limitações, a principal delas é a velocidade do processo. O abrasivo escolhido deve ser mais duro que o material que irá cortar. Chapas de metal de pequena espessura tendem a sofrer esforços de dobramento, apresentando rebarbas na face de saída. Materiais cerâmicos têm sua resistência diminuída após o corte com jato de água e abrasivo. Vidros temperados, também não podem ser cortados por esse sistema. Segurança do operador O ruído excessivo, que é proporcional ao diâmetro do jato e à distância do corte, também pode afetar o trabalhador, se este não usar um protetor auricular adequado. 33 Por isso, nos equipamentos em que se faz manualmente o corte, é indispensável que o operador trabalhe protegido, usando luvas, óculos e protetores auriculares. Os equipamentos de corte por jato de água e abrasivo já incorporam dispositivos de segurança construídos pelos próprios fabricantes. Por exemplo, se ocorrer a ruptura de alguma tubulação, uma proteção externa ao tubo evita a descarga da água a alta pressão e um sistema de segurança desliga o equipamento. 8.5 Corte com laser Laser é um sistema que produz um feixe de luz concentrado, obtido por excitação dos elétrons de determinados átomos, utilizando um veículo ativo que pode ser um sólido (por exemplo, o rubi) ou um líquido (por exemplo, o dióxido de carbono). este feixe de luz produz intensa energia, na forma de calor. Atualmente, o tipo mais comum de laser usado na indústria utiliza o dióxido de carbono (co2) como veículo ativo. outros gases, como o nitrogênio (n2) e o hélio (h), são misturados ao dióxido de carbono, para aumentar a potência do laser. o grande inconveniente do laser é que se trata de um processo térmico e, portanto, afeta a estrutura do material cortado. Equipamento de corte a laser: o futuro que já é presente o equipamento mais comum consiste em mesas móveis, com capacidade de movimentação segundo os eixos x, y e z. as coordenadas de deslocamento geralmente são comandadas por um sistema cad (computer aided design ou, em português, projeto assistido por computador), acoplado à mesa de corte. 34 Observe que a chapa é colocada sobre uma espécie de “cama de pregos”, apoiando-se em vários pontos. Sobre ela, o cabeçote laser movimenta-se em duas direções: longitudinal e transversal. esses movimentos são transmitidos por motores elétricos, controlados por computador. Pelo cabeçote laser flui um gás, chamado gás de assistência, que tem por função, entre outras, remover o material fundido e óxidos da região de corte. o gás normalmente usado para esta finalidade é o oxigênio, porque ele favorece uma reação exotérmica, isto é, libera calor, aumentando ainda mais a temperatura do processo e, por conseqüência, a velocidade de corte. Entretanto, o nitrogênio pode ser preferido como gás de assistência, quando forem necessárias superfícies livres de óxidos, como no corte de aços inoxidáveis. As máquinas de corte a laser podem cortar chapas de aço-carbono de até 20 mm de espessura. Ao contrário do que se poderia pensar, sua capacidade de corte de chapas de alumínio, por exemplo, é bem menor: corta chapas de 6 mm, no máximo. Isso se explica pela tendência do alumínio ao empastamento e à reflexão da luz. Fatores que afetam o corte a laser As Impurezas, a potência do feixe, velocidade de corte e a vazão ponto focal. Vantagens e desvantagens do corte com laser Por ser uma forma de energia concentrada em pequena área, o corte a laser proporciona cortes retos, pequena largura de corte, zona mínima afetada pelo calor, mínima distorção e arestas de excelente qualidade. 35 Por ser uma luz, não entra em contato direto com a peça, não causando distorções e não se desgastando. É um sistema de fácil automatização, permite cortar peças de formas complexas e não requer a troca de “ferramenta de corte” cada vez que é substituído o material a ser cortado. Do lado das desvantagens, pode-se destacar: o alto custo inicial do sistema; a pequena variedade de potências disponíveis, que limitam o corte a espessuras relativamente baixas e a materiais que apresentem baixa reflexão da luz; a formação de depósitos de fuligem na superfície, no corte de materiais não-metálicos como madeira, couro etc.; a formação de produtos tóxicos (ácido clorídrico), no caso de corte de pvc. 8.6 Oxicorte O oxicorte é um dos processos de corte que se fundamenta na erosão do material por meio da ação do calor (erosão térmica). Neste processo, a erosão térmica que vai promovendo o corte, surge de uma reação do oxigênio com o metal a alta temperatura. Para a realização do corte, o metal deve ser aquecido até uma temperatura chamada "temperatura de ignição". Em seguida, o metal é exposto a um jato de oxigênio puro que causa sua oxidação. Esta reação do oxigênio com o metal produz uma quantidade de calor suficiente para fundir o óxido formado, que é arrastado pelo oxigênio, promovendo assim a separação do material. No oxicorte, a energia é gerada por uma mistura de oxigênio e gás combustível. Existem muitos gases carburantes que podem ser utilizados no processo, tais como hidrogênio, butano, propano e acetileno. Entretanto, a grande maioria deles apresenta baixa capacidade térmica, mesmo na mistura com oxigênio. Os gases são fornecidos em cilindros produzidos para uso imediato, como no caso do acetileno e do hidrogênio. 36 O acetileno é um gás que se destaca pela alta potência da sua chama e alta velocidade de inflamação. Todo metal capaz de reação química com o oxigênio e com ponto de fusão do óxido inferior ao ponto de fusão do metal pode ser cortado pelo processo oxiacetilênico. Equipamento O equipamento básico é constituído de cilindros de oxigênio e acetileno, respectivamente, com os reguladores específicos para esses gases. Deve-se sempre utilizar válvulas cortachamas, montadas entre os reguladores e as mangueiras. Essas válvulas são equipamentos de segurança baratos, principalmente se comparados com resultado de possíveis acidentes nos quais teríamos, provavelmente, mangueiras queimadas e manômetros destruídos, ou até, em casos mais graves, explosões que resultariam em cilindros inutilizados, além de risco de vida. Além da válvula corta-chamas é aconselhável montar válvulas contrafluxo entre o maçarico e as mangueiras (acetileno e oxigênio). A válvula não detém chamas retrocedentes, pois seria destruída pelo calor da chama, porém evita a entrada de acetileno na mangueira de oxigênio e vice-versa. As mangueiras usadas para conduzir os gases são apresentadas em cores diferentes: a preta ou verde para oxigênio e a vermelha para acetileno. Maçarico de corte Existem diversos tipos de maçaricos de corte. Eles dispõem de válvulas de oxigênio e de acetileno para ajuste da chama, e de um volante para ajuste do oxigênio de corte. 37 Como na solda, os maçaricos podem ser de dois tipos: injetores e misturadores. Os injetores utilizam o oxigênio a média pressão e o gás combustível a baixa pressão. Os misturadores utilizam o oxigênio e o gás combustível à mesma pressão. No corte usam-se os injetores. Segurança do operador • Usar óculos de proteção apropriados contra fagulhas, escória e brilho da chama, Usar luvas, mangotes, aventais e perneiras de proteção; Conservar toda a roupa e equipamento de proteção individual livres de óleo ou graxa. durante todo o tempo; • • Acessórios para corte manual Os cortes circulares são feitos com apoio de um compasso, montado no próprio maçarico. Costumam-se utilizar, também, guias com uma ou duas rodas, para executar cortes retos. Esses guias são de grande utilidade, principalmente para pessoas que não têm as mãos firmes. Oxicorte semi-automático No oxicorte semi-automático são utilizadas máquinas de corte portáteis, que se movimentam sobre trilhos, para produzir cortes retos. Esse é um equipamento relativamente simples, com motorização elétrica, de velocidade variável. 38 Oxicorte automatizado Existem diversos tipos de mesas de corte. Elas são usadas no processo automático, podendo integrar até três ou mais maçaricos de corte; eles trabalham com células fotoelétricas ou com microprocessadores. Nesse equipamento, todo movimento é feito pela máquina. O operador prepara o material a ser cortado, acende a chama, limpa e guarda as peças cortadas. O sistema por células fotoelétricas trabalha semelhante a uma máquina copiadora. A única diferença é que, em vez do “pino-guia”, que acompanha a circunferência de uma peça padrão, o sensor do sistema de células fotoelétricas acompanha tanto a circunferência de uma peça padrão como as linhas de um desenho, guiando o maçarico. Equipamentos de última geração se beneficiam de circuitos eletrônicos e microprocessadores e executam o serviço, normalmente, por meio de programas prontos ou editados na própria empresa. Esses equipamentos de comando numérico, embora tenham alto custo inicial, compensam pela economia operacional. A preparação de programas de corte, via computador, permite ótimo aproveitamento da matéria-prima, reduzindo a um mínimo o desperdício. Esses processos automatizados, em geral, são encontrados em empresas que produzem peças utilizando oxicorte em grande escala. Portanto, para obter mais informações sobre esses processos, consulte catálogos de empresas especializadas. 39 8.7 Corte com plasma Em 1950, o processo TIG (gás inerte de tungstênio) de soldagem estava implantado como um método de alta qualidade para soldar metais nobres. Durante o desenvolvimento desse processo, os cientistas envolvidos no trabalho descobriram que se reduzissem o diâmetro do bocal por onde saía a tocha de gás para soldagem, as propriedades do arco elétrico do equipamento de soldagem ficavam bastante alteradas. A redução do diâmetro de saída comprimia o arco elétrico, aumentando a velocidade e a temperatura do gás. O gás, ionizado, ao sair pelo bocal, em vez de soldar, cortava metais. Nessa figura, os dois arcos estão operando com uma corrente elétrica de 200 ampères. O bocal de jato plasma está apertado e por isso opera com o dobro da tensão. Produz um plasma muito mais quente que o bocal do arco TIG. Se a mesma corrente (200 ampères) é forçada a passar 40 pelo bocal do plasma, a tensão e a temperatura aumentam e uma energia cinética do gás sai pelo bocal, provocando o corte do metal. Características do arco plasma As características do arco plasma variam de acordo com: • o tipo de gás de corte; • quantidade de vazão; • diâmetro do bocal (bico de corte); • tensão do arco elétrico. a o a O corte plasma convencional O corte plasma, utilizado no mesmo estado em que foi descoberto, é atualmente chamado de corte plasma convencional. Pode ser aplicado a cortes de vários metais com espessuras diferentes. É muito usado, por exemplo, para cortar aço inoxidável, aço-carbono e alumínio. Para se obter um bom rendimento do trabalho, é preciso utilizar o gás adequado para corte de cada material, controlar a vazão do gás e a tensão do arco elétrico, levar em conta a capacidade de condução de corrente da tocha de plasma e as propriedades do metal a ser cortado. Essa técnica de corte foi introduzida na indústria em 1957 e, inicialmente, era usada para cortar qualquer metal a altas velocidades de corte. As chapas a serem cortadas variavam de 0,5 mm até 250 mm. 41 Corte plasma com ar comprimido Esse tipo de corte incorpora em seu processo o ar comprimido como um elemento que substitui gases industriais de alto custo, como hidrogênio e hélio e proporciona um corte mais econômico. O oxigênio presente no ar fornece uma energia adicional que aumenta a velocidade de corte em 25%. Esse processo pode ser usado para corte de aço inoxidável e alumínio. Entretanto, a superfície desses materiais tende a ficar fortemente oxidada, o que não é adequado para certas aplicações. A principal desvantagem desse processo de corte é a rápida erosão do eletrodo. Um eletrodo de tungstênio, por exemplo, desgasta-se em poucos segundos se o gás de corte contiver oxigênio. Por isso, é necessária a utilização de eletrodos especiais feitos de zircônio, háfnio ou ligas de háfnio. Mesmo com o emprego de eletrodos especiais, a vida útil deles é bem menor que a dos eletrodos do processo de plasma convencional. Segurança no processo Na tentativa de diminuir esses problemas de segurança, foi desenvolvida uma camada protetora com água ao redor da tocha de plasma conhecida como mufla d´água. Seu uso faz com que: • nível de ruído do processo de corte seja reduzido; • fumaça e os gases tóxicos fiquem confinados na barreira d´água; • intensidade de luz do arco plasma seja reduzida a níveis que não prejudiquem os olhos; a a o 42 • radiação ultravioleta seja reduzida. a 9. Soldagem automatizada Atualmente, acredita-se que, de cada dez robôs trabalhando nas indústrias, seis estão envolvidos em operações de soldagem, principalmente nos processos por resistência elétrica, mais conhecido como “soldagem a ponto”, e na soldagem ao arco elétrico, principalmente o processo MIG. Mas, que máquinas são essas e por que será que o robô se adaptou tão bem aos processos de soldagem, a ponto de se tornar o principal campo de aplicação dessas máquinas maravilhosas? O robô industrial 43 É impossível falar em automação do processo de soldagem sem se referir a um tipo muito especial de máquina: o robô industrial. Mas o que é um robô industrial, afinal de contas? Robôs industriais são máquinas controladas por computador e destinadas a realizar uma grande variedade de tarefas. Ou seja, são máquinas flexíveis, adaptáveis a serviços diferentes, bastando que para isso mudemos a ferramenta com que ela trabalha e seu programa (um tipo de “receita de bolo” que diz ao robô, passo a passo como a tarefa deve ser feita, numa linguagem que ele seja capaz de entender). Por exemplo: um tipo de robô industrial, conhecido como robô articulado ou angular pode ser visto na figura a seguir. Ele é composto por uma série de peças (corpo, braço, antebraço etc.) articuladas e acionadas por motores elétricos. O conjunto de posições de cada peça num certo momento determina a posição da extremidade (ou punho) do robô onde é fixada a ferramenta com a qual ele irá trabalhar. Para cada motor elétrico que aciona cada parte do robô, existe pelo menos um sensor de posição que detecta a localização de cada uma daquelas peças. Os motores e os sensores estão ligados ao computador que controla o robô. Por meio do programa, o computador compara as ordens que você deu ao robô com a sua posição atual, conhecida por intermédio dos sensores. Se a posição em que o robô se encontra é diferente daquela que você desejava, o computador se encarrega de realizar as correções necessárias. Os robôs soldadores O primeiro robô industrial apareceu por volta de 1960. Suas primeiras tarefas foram as de carregar e descarregar peças em máquinas. Entretanto, o tempo mostrou que esta não seria a ocupação mais importante dessas máquinas, e a soldagem se tornou seu principal campo de aplicação. Vários fatores contribuíram para que isso acontecesse: 44 • Os postos de soldagem apresentam um ambiente inseguro e pouco confortável ao trabalho humano, pois nele estão presentes as radiações térmica e luminosa, os gases e as fagulhas metálicas. • Em muitas operações de soldagem, o soldador é obrigado a manejar equipamentos e colocar-se em posições desconfortáveis para que possa efetuar a tarefa num ponto específico da peça. • A repetição constante de um mesmo tipo de tarefa leva o soldador à fadiga física e compromete a qualidade do serviço. Num robô, ao contrário, a repetibilidade e precisão dos movimentos é constante durante toda sua vida útil. O Computador Nos primeiros robôs industriais desenvolvidos na década de 60, a seqüência de movimentos era controlada por meio de relês e chaves fim-de-curso. Esses recursos da eletricidade e da eletrônica limitavam tanto a velocidade quanto a quantidade e precisão de operações e movimentos que o robô podia fazer. Atualmente, utilizam-se computadores com grande capacidade de armazenamento de dados e elevada velocidade de realização de cálculos matemáticos. Esses computadores permitem que os robôs tenham mais movimentos e possam executá-los com um grau de precisão da ordem de ±0,05 mm. Ainda é uma precisão pobre quando a comparamos com as necessárias em operações de usinagem, porém é considerada satisfatória nas operações típicas de robôs como soldagem e pintura. Na soldagem ao arco elétrico, por exemplo, esses computadores controlam os movimentos do robô, de modo que este mantenha uma distância constante entre o eletrodo e a peça, assegurando a formação de um arco voltaico satisfatório. Além disso, controlam as velocidades do braço do robô e de alimentação do arame do eletrodo, de modo que garanta um cordão de solda de boa qualidade. Se não bastasse tudo isso, o computador ainda “toma conta” dos outros equipamentos que fazem parte da célula de produção e, muitas vezes, se comunica com os computadores que controlam outros robôs de modo que todos eles possam trabalhar em harmonia, sem riscos de colisões e com o máximo aproveitamento de sua capacidade produtiva. 45 Vejamos um exemplo: a figura a seguir mostra esquematicamente os componentes de uma carcaça de motor elétrico e uma célula de produção para a soldagem desses componentes. Para soldar os componentes (aletas, alças de suspensão, caixa de ligação etc.) no cilindro da carcaça, essa célula trabalha com dois robôs. O robô da esquerda (robô 1) tem a função de pegar o componente a ser soldado que se encontra sobre uma bancada, posicioná-lo sobre o cilindro da carcaça do motor e segurá-lo enquanto o robô da direita (robô 2) solda o componente. O cilindro da carcaça chega à célula por uma esteira transportadora e é preso pelas extremidades num dispositivo de fixação giratório. Após a soldagem de todos os componentes, a carcaça é retirada da célula também por meio de uma esteira transportadora. Nesse caso, além dos movimentos do robô, o computador deve controlar as tarefas de: • Alimentar o cilindro por meio da esteira; • Fixar o cilindro no dispositivo; • Girar o dispositivo de fixação; • Chamar o robô de posicionamento ou o de soldagem; • Retirar a carcaça pronta da célula. Ensinando o robô Como já dissemos, os robôs industriais necessitam de um programa para que possam realizar sua tarefa. Esse programa pode ser escrito numa linguagem própria, capaz de ser entendida 46 pelos robôs, e em seguida ser introduzido na memória do computador que vai controlar seus movimentos. No entanto, em vez de descrever esse programa, adotou-se um método que se tornou bastante popular na indústria: a programação conhecida como “Teaching” ou “Ensinamento”. Quando estamos ensinando uma criança a escrever, costumamos pegá-la pela mão e fazê-la descrever com um lápis o contorno de uma determinada letra. Fazemos isso várias vezes, para tentar acostumá-la com os movimentos para que possa, em seguida, realizá-los sozinha. Para programar robôs pelo método “Teaching”, fazemos uma coisa bastante parecida. Suponhamos que desejamos fazer com que o dispositivo de solda a ponto mostrada a seguir, montado na extremidade de um robô, execute os pontos de solda na estrutura do automóvel. Com o auxílio de um painel de controle, chamado de “Teaching Box” ou “Caixa de Ensinamento”, movimentamos manualmente o robô, fazendo com que o dispositivo de soldagem passe por todos os pontos desejados, um de cada vez. A cada ponto, pelo painel de controle, fazemos com que o computador de controle do robô memorize sua posição. Após completar essa fase de ensinamento, o robô estará então preparado para executar, desta vez sozinho e automaticamente, toda a tarefa. Como podemos ver, o robô foi mesmo uma mão na roda para as tarefas repetitivas e perigosas da soldagem. Além disso, ele veio atender às necessidades de produtividade e de regularidade nos resultados da soldagem, imprescindíveis para a manutenção de níveis de qualidade que tornem uma indústria competitiva em um mundo de economia globalizada desse fim de século XX. 47 10. Processos de Fabricação 10.1 Usinagem O termo usinagem compreende todo processo mecânico onde a peça é o resultado de um processo de remoção de material. Existem vários processos de usinagem, entre eles serramento, aplainamento, torneamento, fresamento (ou fresagem), furação, brochamento, eletroerosão entre outros. 48 A usinagem começou em tempos remotos com processos totalmente manuais e hoje em dia evolui muito com o uso de máquinas de alta precisão, por exemplo, chamadas CNC (com comando numérico computadorizado), que são controladas por computador. A precisão de tal máquinas chega a ser tão pequena quanto 1 mícron. Para se ter uma idéia, um fio de cabelo tem o diâmetro de 80 microns. A usinagem atende, hoje em dia, a diversos mercados, como automotivo, naval, aeroespacial, eletrônico, eletrodomésticos etc. 10.2 Torno mecânico Denomina-se torno mecânico (do latim tornus, e este do grego τόρνος, gire, vuelta) uma máquina-ferramenta que permite usinar peças de forma geométrica de revolução. Estas máquinas-ferramenta operam fazendo girar a peça a usinar (presa em um cabeçote ou fixada entre os contra-pontos de centragem) enquanto uma ou diversas ferramentas de corte são pressionadas em um movimento regulável de avanço de encontro à superfície da peça, removendo material de acordo com as condições técnicas adequadas. O torno mecânico é uma máquina operatriz extremamente versátil utilizada na confecção ou acabamento em peças. Para isso, utiliza-se de placas para fixação da peça a ser trabalhada. Essas placas podem ser de três castanhas, se a peça for cilíndrica, ou quatro castanhas, se o perfil da peça for retangular. Basicamente é composto de uma unidade em forma de caixa que sustenta uma estrutura chamada cabeçote fixo. A composição da máquina contém ainda duas superfícies orientadoras chamadas barramento, que por exigências de durabilidade e precisão são temperadas e retificadas. O barramento é a base de um torno, pois sustenta a maioria de seus acessórios, como lunetas, cabeçote fixo e móvel, etc. Esta máquina-ferramenta permite a usinagem de variados componentes mecânicos: possibilita a transformação do material em estado bruto, em peças que podem ter seções circulares, e quaisquer combinações destas seções. Através deste equipamento é possível confeccionar eixos, polias, pinos, qualquer tipo possível e imaginável de roscas, peças cilíndricas internas e externas, além de cones, esferas e os mais diversos e estranhos formatos. 49 Com o acoplamento de diversos acessórios, alguns mais comuns, outros menos, o torno mecânico pode ainda desempenhar as funções de outras máquinas ferramentas, como fresadora, plaina, retífica ou furadeira. Pelo desenvolvimento do torno mecânico, a humanidade adquiriu as máquinas necessárias ao seu crescimento tecnológico, desde a medicina até a indústria espacial. O torno mecânico é a máquina que está na base da ciência metalúrgica, e é considerada a máquina ferramenta mais antiga e importante ainda em uso Tipos de torno Torno CNC Máquina na qual o processo de usinagem é feita por Comandos Numéricos Computadorizados (CNC) através de coordenadas X(vertical) e Z(longitudinal).Sua grande vantagem em relação ao torno mecânico é o acabamento e o tempo de produção. Torno revolver Torno simples com o qual é possível executar processos de usinagem com rapidez, em peças pequenas [Ex: buchas] Torno vertical Usado para trabalhar com peças com um diâmetro elevado; Torno horizontal universal Usado para várias funções principalmente em peças de pequeno diâmetro e grande comprimento. 10.3 Usinagem por feixe de elétrons 50 Este método baseia-se no princípio de que o bombardeamento de elétrons gera energia, ou seja, quando os elétrons são acelerados e concentrados em um feixe, uma intensa energia cinética é produzida. Quando o feixe assim concentrado choca-se contra uma superfície bem definida, o impacto faz com que a energia cinética transforme-se em energia térmica, alcançando altíssimas temperaturas, capazes de fundir praticamente todos os tipos de materiais conhecidos. O mecanismo pelo qual os feixes concentrados penetram na peça ainda não é completamente conhecido. Entretanto, sabe-se que a energia altamente concentrada do feixe de elétrons vaporiza instantaneamente o material no ponto de impacto. O material derretido ao redor do ponto de impacto é rapidamente ejetado pela pressão do vapor sendo, dessa forma, removido do material. Este processo foi inicialmente utilizado por volta dos anos 50, na área de soldagem, quando as primeiras construções nucleares passaram a exigir a soldagem isenta de oxidação, de materiais reativos como o titânio e o zircônio. O desenvolvimento das câmaras de vácuo trouxe a solução para o problema anterior e ainda permitiu um maior aproveitamento do potencial de energia dos elétrons acelerados. Isso porque, numa câmara de vácuo é possível concentrar a energia que seria dispersa pelo atrito dos elétrons com as moléculas de ar, de modo que se produza uma grande convergência do feixe, com redução das zonas termicamente afetadas. O vácuo, além de evitar a dispersão do feixe, possibilita obtenção de elevadas densidades de energia e maior capacidade de penetração no material a ser usinado. A convergência do feixe pode ser ajustada por meio de lentes magnéticas. Dependendo do modo como o feixe é aplicado sobre a peça, pode ser usado para outras finalidades, além da soldagem, como o tratamento térmico, o corte de materiais e a microusinagem. Equipamento básico para produção do feixe de elétrons O pioneiro na utilização de feixes de elétrons foi Steigerwald, que projetou uma máquina protótipo em 1947. As modernas máquinas de feixe de elétrons funcionam pelos mesmos princípios, até hoje. 51 Os componentes básicos, presentes em todas as máquinas, são: canhão emissor de elétrons, lentes de focalização e sistema de ajuste de foco. Estes componentes estão alojados numa câmara de vácuo, que atinge até 10-4 Torr. Representação esquemática de uma máquina industrial para produção de feixes de elétrons O canhão emissor de elétrons, que sempre trabalha em alto vácuo (10-4 Torr), é o dispositivo que gera os elétrons. É composto, basicamente, de um mecanismo de emissão e aceleração dos elétrons, constituído pelo cátodo e pelo ânodo. O cátodo, que é montado dentro de uma válvula conhecida por “Wehnelt”, é feito de um filamento de tungstênio, e quando aquecido até 2.500°C ou 3.000°C liberta elétrons. A alimentação do canhão é feita por um transformador especial de alta tensão, que produz uma grande diferença de potencial (ddp) entre o cátodo e o ânodo, da ordem de 150kv, suficiente para acelerar os elétrons em direção à peça a ser usinada. Os elétrons assim acelerados chegam a atingir de 0,2 a 0,7 da velocidade da luz. Os elétrons acelerados são direcionados para o ânodo e o atravessam saindo por um orifício na extremidade. Na saída do ânodo, os elétrons acelerados passam pelo diafragma que serve para fazer convergir o feixe. Mesmo no vácuo, o feixe tende a dispersar-se. Para evitar essa dispersão, ele é conduzido através de um conjunto de lentes magnéticas. O sistema de controle para ajuste de foco, que permite manter a direção do feixe para a peça usinada, é constituído por um conjunto de bobinas de deflexão, por dentro das quais passa o feixe de elétrons. Por essas bobinas passa uma corrente elétrica, que gera um campo 52 magnético. Este campo magnético interfere no feixe, para permitir o ajuste de foco, nas posições x e y. A uma distância determinada das bobinas, obtém-se o menor diâmetro de feixe (ponto focal). Nesse ponto tem-se a densidade de energia máxima, pois toda a energia do feixe está concentrada na menor área possível. Passando o ponto focal, o feixe tende a divergir novamente. Remoção de material por feixe de elétrons As taxas de remoção de material na usinagem por feixe de elétrons são usualmente avaliadas de acordo com o número de pulsos requeridos para evaporar certa quantidade de material. O uso de contadores de elétrons para registrar o número de pulsos permite pronto ajuste do tempo de usinagem, para produzir a profundidade de corte requerida. Por enquanto, algumas aplicações da usinagem por feixe de elétrons ainda se encontram em fase experimental, não representando uma alternativa competitiva do ponto de vista técnico ou econômico, quando comparadas a outros processos. Mesmo assim, a indústria aeroespacial, a aeronáutica e a eletrônica são exemplos de áreas que já vêm utilizando este processo com resultados positivos na produção de múltiplos microfuros, litografia em semicondutores e microusinagem de peças complexas. Mas certamente as dificuldades atuais serão superadas em decorrência do permanente esforço de pesquisa e desenvolvimento voltado para esta área. Portanto, fique atento: não perca a oportunidade de conhecer melhor este assunto e se aprofundar nele, acompanhando os eventos que divulgam tecnologias de ponta. 53 10.4 Usinagem por ultra-som A usinagem por ultra-som é um processo que permite executar penetrações de formas variadas em materiais duros, frágeis e quebradiços como o vidro, a cerâmica e o diamante, que dificilmente seriam obtidas pelos processos convencionais. Na usinagem por ultra-som, uma ferramenta é posta para vibrar sobre uma peça mergulhada em um meio líquido com pó abrasivo em suspensão, numa freqüência que pode variar de 20 kHz a 100 kHz. O “martelamento” produzido pelas vibrações é capaz de erodir o material, formando uma cavidade com a forma negativa da ferramenta. Não há contato entre a ferramenta e a peça. A usinagem é feita pelos grãos finos e duros do material abrasivo, que atacam a superfície da peça. A ferramenta não precisa ser muito dura, podendo ser feita de material fácil de usinar, uma vez que não entra em contato com a peça. Uma variação desse processo de usinagem é obtida com o uso de uma ferramenta rotativa, que aumenta a capacidade de remoção do material erodido. Quando conjugado com uma mesa do tipo CNC, o equipamento com ferramenta rotativa possibilita a obtenção de figuras complexas, por contorneamento. O processo de usinagem por ultra-som aproveita a energia de vibração mecânica, comunicada aos grãos de abrasivo, que vibram na mesma direção do sonotrodo. O sonotrodo é constituído por uma barra metálica, na qual se ativam as vibrações ultrasonoras, no sentido do seu eixo. Na ponta do sonotrodo é fixada a ferramenta, com a forma inversa da que se deseja dar à peça a ser usinada. As vibrações mecânicas só se propagam através de um meio material, nunca no vazio. Essas vibrações transmitem-se por excitação das moléculas, que oscilam ao redor de sua posição de repouso. Um ponto em oscilação, partindo de uma posição extrema e voltando a esta posição, completa um ciclo e tem uma amplitude (A) determinada. O número de ciclos efetuados por unidade de tempo, ou freqüência das oscilações, é uma característica essencial das vibrações. A amplitude é dada pelo máximo afastamento do ponto em relação a sua posição de equilíbrio. O conjunto de vibrações locais e sua propagação formam uma onda de vibrações. As ondas se propagam através dos materiais a uma velocidade constante. Esta velocidade depende da 54 natureza do material e do tipo de onda considerado. Para as aplicações industriais, as ondas longitudinais são as mais utilizadas. Geração dos ultra-sons A maior parte dos corpos materiais possui certas propriedades elásticas. Isto quer dizer que, se uma parte do corpo é forçada além de sua posição natural, a reação do corpo tende a trazer esta parte de volta para o seu lugar. Produz-se, assim, um movimento de oscilação comparável ao de um pêndulo de mola. Cada corpo tem uma freqüência própria de vibração. A produção dos ultrasons utiliza essa capacidade de vibração que os corpos apresentam. Uma das formas possíveis de produzir ultra-som vale-se do efeito Joule magnético, também conhecido como magnetostrição. Na máquina de ultra-som para usinagem, a parte mais importante da cabeça ultra-sonora, que funciona segundo o princípio da magnetostrição, é constituída por uma haste em liga de níquel, que é envolvida por uma bobina, percorrida por uma corrente de alta freqüência. O campo magnético gerado pela passagem da corrente através da bobina provoca a vibração da haste metálica, no sentido do eixo. Esta haste encontra-se em um banho de óleo, que é resfriado por uma serpentina em cobre, na qual circula água. O efeito assim obtido é muito pequeno, mas pode ser aumentado desde que se consiga produzir a vibração em ressonância com as vibrações próprias da barra. Características do equipamento Uma máquina de ultra-som para usinagem é constituída, basicamente, pelos seguintes componentes: • Um gerador de corrente de baixa freqüência; • Um conversor eletroacústico que consiste de um transdutor eletroacústico,isto é, um dispositivo que transforma as oscilações elétricas em ondas ultrasonoras; • Um amplificador, feito geralmente de titânio, que tem por função transmitir e aumentar as amplitudes das vibrações do transdutor sobre o qual está fixado; • Uma ferramenta de usinagem, facilmente intercambiável, que pode ser oca ou maciça. O conjunto é montado sobre uma guia de precisão, que se desloca verticalmente, sem jogo nem atrito, e é equilibrado por um sistema de contrapeso. 55 O equipamento inclui um dispositivo de regulagem de pressão sobre a peça a ser usinada, montado na parte exterior da máquina. Nas máquinas mais antigas, um relógio comparador de leitura direta permitia controlar permanentemente a profundidade de penetração da ferramenta. Atualmente, esse controle é feito por sistemas eletrônicos. A peça a ser usinada é fixada sobre o tanque de abrasivo que pode ser adaptado a uma mesa de coordenadas, com movimentos comandados por um micrômetro. Este conjunto é centralizado sob a ferramenta. Como abrasivo pode-se utilizar o carbeto de boro, de silício, óxido de alumina ou diamante em pó, com tamanhos de grãos variando entre 0,5 mm e 0,002 mm. O material abrasivo deve ser no mínimo, tão duro quanto a peça usinada. Mesmo assim, parte do próprio abrasivo acaba sendo erodida durante a usinagem, de modo que a área de usinagem deve ser continuamente alimentada por um suprimento adicional de grãos. Este procedimento contribui para resfriar a suspensão durante a usinagem e facilita a remoção do material erodido. Máquina industrial de ultra-som para usinagem Considerações sobre a usinagem por ultra-som A usinagem por ultra-som permite cortes limpos, porque as vibrações ultrasônicas produzem a fusão do material e, ao mesmo tempo, soldam as pontas das fibras cortadas. Embora furos, ranhuras e formas irregulares possam ser usinadas por ultrasom em qualquer material, pesquisadores sugerem que o processo seja aplicado, preferencialmente, em materiais duros e quebradiços, envolvendo áreas de superfícies inferiores a 1000 mm2, onde devem ser produzidas cavidades rasas e cortes. 56 Em outras palavras, a usinagem por ultra-som, assim como outros métodos de usinagem, também tem suas limitações e representa um vasto campo a ser pesquisado e aperfeiçoado. 10.5 Usinagem química e usinagem eletroquímica A usinagem química consiste em submeter certas partes de peças metálicas à ação de uma solução agressiva. Isso implica que as outras partes devem ser protegidas desta ação, o que é feito colocando-se uma “máscara” sobre a peça, feita de material insensível à substância corrosiva, com as formas e dimensões adequadas. Etapas do processo As principais etapas de execução da usinagem química são: • Preparação da superfície do metal • Confecção da máscara e revestimento da peça • Usinagem química propriamente dita e • Limpeza Preparação da superfície do metal: A superfície do metal, que ficará coberta durante a usinagem, deve ser cuidadosamente limpa e desengordurada.. Depois de limpo, o metal deve ser protegido da poeira e manipulado o mínimo possível de preferência com luvas. Confecção da máscara e revestimento da peça: Diversos materiais podem ser empregados na confecção de máscaras, tais como: borracha, plásticos, resinas fotossensíveis, vernizes etc. O importante é que esses materiais resistam à solução agressiva utilizada, apresentem boa aderência à peça, o tempo suficiente para obter o resultado desejado e possam ser recortados nas dimensões estabelecidas. As máscaras devem apresentar uma diferença dimensional, para menor, em relação às cotas finais desejadas, pois a dissolução do metal não se faz rigorosamente na vertical: um pouco da solução sempre penetra sob a máscara. O cálculo das dimensões da máscara é feito de acordo com a espessura a dissolver, o tipo de metal e o ambiente em que é feito o trabalho, para uma velocidade de dissolução determinada. As pinturas ou borrachas sintéticas são aplicadas sobre um gabarito, o qual, depois de retirado, deixa aparecer o metal não protegido, que será exposto à solução corrosiva. 57 Outra possibilidade, se você puder utilizar um material que possa ser facilmente recortado, como as borrachas, por exemplo, consiste em desenhar o contorno desejado na própria borracha, recortar a silhueta contornada e aplicá-la diretamente sobre a peça. Nesse processo não se admite nenhuma poeira. O bom resultado depende de uma camada homogênea, de espessura constante, sem rugas nem bolhas. As camadas protetoras devem ser suficientemente espessas e aderentes. Para trabalhos que exigem grande exatidão, as resinas fotossensíveis são preferidas. Essas resinas devem ser submetidas a radiação ultravioleta e depois devem ser reveladas. A revelação faz aparecer o desenho da peça e deixaa descoberto o metal a dissolver. A vantagem das resinas fotossensíveis é a possibilidade de redução fotográfica, em grande escala, com exatidão, do desenho da parte a ser protegida. Quando se usa gabarito ou recorte manual, esta exatidão fica dependendo da habilidade do operador. Para aumentar a aderência e resistência da resina aos ácidos, depois da revelação, a peça deve ser submetida a recozimento controlado e uniforme. Esse processo pode ser feito em estufas, a temperaturas relativamente baixas, ou por ação de radiação infravermelha, desde que se tome o cuidado de exposição correta de todas as partes da peça. Assim, a peça estará pronta para ser usinada quimicamente. Mas, atenção! Alguns testes preliminares são necessários para determinar se a qualidade das superfícies dissolvidas e das arestas serão satisfatórias com o uso do agente corrosivo escolhido. Usinagem química: Neste estágio, realiza-se a dissolução das partes das peças que devem desaparecer. A solução agressiva é colocada em contato com o metal, e a dissolução se processa até ser atingido o equilíbrio químico. As soluções cáusticas (para alumínio e aço) e ácidas (para níquel e cobre) são agentes corrosivos típicos. Para que a solução não perca suas propriedades, ela deve ser constantemente renovada, por meio de dispositivos acoplados ao tanque de usinagem. Limpeza da peça: Esta operação consiste em livrar a peça das máscaras aplicadas. Terminada a usinagem, deve ser feito um escovamento mecânico da peça, seguido de um banho. Quando a fragilidade da peça não permite um escovamento mecânico, pode-se recorrer a ação dos ultra-sons. 58 Vantagens e desvantagens da usinagem química Um inconveniente importante da usinagem química é que o recorte não é rigorosamente perpendicular à superfície e os ângulos obtidos são mal reproduzidos. A execução da máscara, nas dimensões ideais, é uma tarefa complicada, que só chega a bom termo após várias tentativas e aproximações. Muitas vezes, é preciso ter uma peça terminada para, com base na verificação dos erros dimensionais, corrigir a máscara. Este procedimento deve ser repetido tantas vezes quantas forem necessárias, até se chegar à regulagem definitiva. Por outro lado, a usinagem química proporciona peças sem rebarbas, sem deformação e estruturalmente íntegras, pois esse método de usinagem não se baseia no impacto ou no arranque de material à força. Além disso, o tempo de produção de uma peça frágil, de formas complexas, com tolerâncias apertadas, é muito menor por usinagem química que por meio mecânico. Mesmo quando é necessário corrigir o desenho, ou o negativo fotográfico, ainda assim o tempo gasto é menor que o necessário para refazer uma ferramenta mecânica convencional. Eletrólise, a base da usinagem eletroquímica A palavra eletrólise vem da língua grega, em que eletro quer dizer “corrente elétrica” e lise significa “quebra”. A eletrólise é uma reação não espontânea de decomposição de uma substância, por meio de corrente elétrica. A eletrólise ocorre quando uma corrente elétrica é passada entre dois materiais condutores, mergulhados numa solução aquosa. Uma aplicação da eletrólise é a deposição eletrolítica, processo no qual camadas de metal são depositadas sobre uma superfície de um outro metal polarizado positivamente. O polimento de metais é um exemplo de operação que também pode ser obtida por dissolução eletrolítica. Só que, nesse caso, o metal a ser polido é polarizado negativamente numa célula eletrolítica - trata-se de um processo de dissolução anódica. As irregularidades da sua superfície são dissolvidas e, com sua remoção, a superfície fica lisa e polida. Nos dois processos anteriores, o eletrólito, que é constituído por um ou vários sais, inofensivos e não corrosivos, dissolvidos na água, funciona em baixa velocidade ou parado. 59 O processo de usinagem eletroquímica é semelhante ao de polimento eletrolítico, embora as finalidades dos processos sejam bem diferentes: no polimento eletrolítico, a finalidade principal é obter um excelente estado de superfície. Na usinagem eletrolítica, o objetivo é a remoção de material, segundo um perfil apresentado por uma ferramenta (eletrodo). Na usinagem, as velocidades de remoção de material exigidas são muito maiores que as necessárias no processo de polimento. Este problema é contornado trabalhando-se com densidades elevadas do eletrólito, sob baixas tensões e mantendo-se reduzida a distância (GAP) entre os eletrodos. Princípios básicos de funcionamento Para entender como a usinagem eletrolítica é usada para conformar metais,é importante saber o que se passa dentro de uma célula eletrolítica. Imagine uma cuba cheia de eletrólito (solução aquosa de cloreto de sódio) com dois eletrodos de ferro, mergulhados na solução, como mostra a figuraa seguir. Um dos eletrodos é polarizado positivamente (ânodo), e o outroé polarizado negativamente (cátodo). Nos metais, a condução de corrente é assegurada pelos elétrons. Nos eletrólitos, ela é obtida por transferência de cargas dos íons. Numa solução aquosa de cloreto de sódio (NaCl), os íons de sódio são positivos e os de cloro são negativos. A representação química dessa expressão é: NaCl ® Na+ + ClA própria água tende a se dissociar: H2O ® H+ + OHA passagem de corrente através de um eletrólito é, portanto, acompanhada de transferência de matéria. Sob ação de uma diferença de potencial, o campo elétrico criado entre os dois 60 eletrodos provoca movimento dos ânions (-) para o ânodo e migração dos cátions (+) para o cátodo. Quando uma diferença de potencial é aplicada entre os dois eletrodos, muitas reações podem ocorrer entre o ânodo e o cátodo. Uma das reações mais prováveis é a dissolução do ferro, representada quimicamente como segue: Fe + 2 H2O ® Fe (OH)2 + H2 Em outras palavras: um átomo de ferro reage com duas moléculas de água, formando hidróxido de ferro II e liberando hidrogênio (H2). O eletrólito permanece inalterado. Apenas sua concentração aumenta, pelo progressivo desaparecimento da água. A retirada de material se dá átomo por átomo, segundo as leis de Faraday: • A quantidade de matéria removida ou depositada é proporcional à intensidade de corrente elétrica; • As quantidades de diferentes substâncias retiradas ou depositadas por uma mesma intensidade de corrente são proporcionais a sua valência-grama. • Para dissolver anodicamente um metal de valência 2, é necessário fornecer 2 elétrons, por átomo de metal a remover. A quantidade máxima de metal que pode ser dissolvida não depende da natureza do eletrólito, nem da dureza ou outras características do metal, mas sim das seguintes grandezas físicas: densidade da corrente, tempo, massa atômica e valência do metal. Visualizando a usinagem eletroquímica A peça a ser usinada e a ferramenta constituem o ânodo e o cátodo, respectivamente, mergulhadas num eletrólito, que pode ser uma solução de cloreto de sódio. Uma diferença de potencial, geralmente de 10 volts, é aplicada entre os eletrodos. A figura a seguir mostra a peça e o eletrodo em representação esquemática. 61 O eletrólito é bombeado numa velocidade aproximada de 3 a 30 m/s, através do GAP entre os eletrodos, para remover os resíduos da usinagem e diminuir os efeitos indesejáveis, como os decorrentes da geração de gás pelo cátodo e aquecimento elétrico. A velocidade de remoção do metal do ânodo ocorre, aproximadamente, na proporção inversa da distância entre os eletrodos. À medida que a usinagem prossegue, e com o movimento simultâneo do cátodo em direção ao ânodo, a largura do GAP, ao longo do eletrodo tenderá a apresentar um valor fixo. Sob essas condições, uma forma aproximadamente complementar àquela do cátodo será reproduzida no ânodo. A usinagem eletroquímica pode ser feita em máquinas de pequeno ou grande porte. Uma máquina pequena (500A) é adequada, por exemplo, para furação e retirada de rebarbas. Importância do eletrólito O papel fundamental do eletrólito é permitir a passagem da corrente elétrica, para tornar possível a dissolução anódica durante toda a usinagem. A natureza do eletrólito deve ser tal que não permita a formação de produtos insolúveis, que poderiam neutralizar o ânodo. As reações que ocorrem no cátodo também não podem ser menosprezadas: é necessário evitar qualquer depósito metálico que venha a alterar a forma do eletrodo-ferramenta e diminuir a exatidão de sua reprodução. O eletrólito deve possuir alta condutibilidade, deve conservar suas características e deve poder ser regenerado facilmente. Um fator que merece atenção é que na usinagem eletrolítica pode ocorrer a formação de produtos tóxicos, dependendo do eletrólito utilizado. 62 Vantagens e desvantagens: • Qualquer material condutor pode ser usinado por este método; • A velocidade de retirada do material permite a obtenção de estados de superfície rigorosos, sem danos à estrutura do metal; • Formas complexas podem ser reproduzidas por este método; • Não há desgaste da ferramenta; • É possível controlar a quantidade de material removido. • Problemas devidos à corrosão; • Dificuldades próprias do processo de eletrólise; • Existência de elevadas pressões hidráulicas; • Dificuldades para ajustagem da ferramenta. 11. Comparação dos métodos de usinagem Diante dos muitos métodos e processos de produção disponíveis, dos múltiplos aparatos tecnológicos, saídos dos laboratórios de pesquisa para os setores de produção e da sedução exercida pela novidade e pelos modismos, não são poucos os profissionais da área que encontram dificuldades para discernir qual a melhor solução para cada necessidade de produção. Na verdade, não existe uma regra geral para chegar a uma decisão correta. É preciso, em cada caso, comparar os custos e as condições técnicas. Sobretudo, é preciso que se tenha conhecimento e informações sobre as opções disponíveis, para poder avaliar criteriosamente o interesse industrial de cada método de trabalho. Métodos clássicos de usinagem As máquinas-ferramenta clássicas realizam, com muita facilidade, movimentos retilíneos e de rotação. Com elas, é possível conseguir exatidão em superfícies planas e superfícies de revolução. Combinações simples permitem obter formas helicoidais (roscas e perfis de dentes de engrenagens) e superfícies combinadas (perfis simultaneamente helicoidais e cônicos). 63 Perfis mais complexos podem ser obtidos por reprodução. Os pantógrafos para gravação de moldes e de matrizes e as laminadoras de roscas são exemplos desse tipo de máquinas. Entre as máquinas de reprodução que funcionam por abrasão, merecem menção as retificadoras de cames cilíndricos, utilizadas para fabricação de calibradores, virabrequins, eixos-comando de válvulas etc. Essas máquinas funcionam com a ajuda de um gabarito, ou por comparação ótica de um traçado com o perfil da peça. Para usinar peças de grandes dimensões, foi necessário acrescentar potência e massa a essas máquinas, o que tornou indispensável o uso de servomecanismos, comandados por embreagens magnéticas, distribuidores hidráulicos ou amplificadores eletrônicos, com evidentes reflexos sobre o seu preço. O fator econômico não deve ser negligenciado, pois interfere na avaliação do interesse industrial de cada método de trabalho. A viabilização técnica e econômica dos novos métodos não implica, contudo, o desaparecimento das formas tradicionais de trabalho. É possível prever que as máquinas de reprodução clássicas, associadas a equipamentos de comando numérico, serão reservadas para os trabalhos em grandes séries. Para que seja econômico atribuir-lhes tarefas menos repetitivas, é necessário que a quantidade de material a retirar seja grande e que a quantidade de peças a reproduzir compense os gastos com o ferramental. Agrupando os novos métodos Uma maneira interessante de formar uma visão de conjunto consiste em agrupar os diversos métodos em função dos atributos comuns que apresentam. De acordo com a natureza energética, podemos agrupar os métodos avançados de usinagem em quatro categorias, a saber: mecânica, química, eletroquímica e eletrotérmica Outro aspecto importante a considerar refere-se aos campos de aplicação destes novos processos de usinagem: a eletroerosão aplica-se somente a materiais condutores. Conseqüentemente, não se presta à usinagem de materiais maus condutores, como a madeira, as resinas etc., das quais habitualmente são feitas as matrizes, protótipos e moldes para fundição. A usinagem eletroquímica também só se aplica a corpos condutores. Óxidos isolantes ou materiais vitrificados são obstáculos ao uso desse método. 64 O corte por plasma é outro método aplicável apenas a metais condutores, como o aço inoxidável, o alumínio e outros metais não-ferrosos, tendo surgido como uma alternativa ao oxicorte, que não era aplicável aos materias acima por gerar reações químicas. Numa segunda categoria, a dos métodos aplicados a materiais maus condutores, destacam-se o ultra-som e o ultra-som rotativo. Estes métodos são especialmente adequados para a usinagem de materiais frágeis, duros ou quebradiços, como o vidro, a cerâmica e o diamante. Quando o objetivo é a microusinagem, o campo de escolha do método pode recair sobre o feixe de elétrons, o jato de água ou o laser. Entretanto, uma análise mais acurada de qualquer desses métodos é necessária, antes da definição do procedimento a adotar. Por exemplo, o feixe de elétrons pode levar a alterações da estrutura cristalina, na região de corte, o que o tornaria contra-indicado para usinagem de aços com alto teor de carbono, onde um endurecimento da superfície não é desejável. Contudo, certas condições impõem um procedimento particular: alguns materiais não podem ser atacados por abrasão, por eletroerosão ou por eletrólise. Uma fresa não pode usinar uma forma reentrante, que um eletrodo facilmente usinaria. Alguns materiais excluem a possibilidade de usinagem eletrotérmica. O feixe de elétrons produz grande exatidão, mas só se justifica sua aplicação para dimensões reduzidas. Ou seja, uma visão de conjunto das diferentes técnicas é sempre indispensável para julgar com conhecimento de causa, sem deixar de lado os procedimentos convencionais, facilmente ignorados, embora mais econômicos em algumas situações. 65 12.Conclusão Processos de fabricação: Tendências e perspectivas Para que a organização atinja seus objetivos, é necessário que seus colaboradores (funcionários de todos os níveis e prestadores de serviços em geral) trabalhem harmoniosamente, conscientes de que uma parcela do sucesso da empresa depende do grau e da qualidade do seu envolvimento no processo produtivo. Ou seja, pode-se considerar que toda empresa funciona como um sistema, voltado para a produção de bens ou serviços. Os sistemas, por definição, são dinâmicos. Às vezes fica difícil, para quem está dentro do sistema, ter uma visão global das mudanças que estão ocorrendo. O objetivo desta pesquisa olhar o sistema produtivo de fora, analisando as tendências e perspectivas de utilização dos processos de fabricação convencionais e avançados nesta virada de século. 66 Há futuro para os métodos tradicionais de fabricação? Com o surgimento das máquinas de eletroerosão, dizia-se que as limas passariam a ser peças de museu. Entretanto, não foi isso que ocorreu. As limas ainda são utilizadas em larga escala, para fazer pequenos ajustes, para tirar rebarbas de peças e até na confecção do próprio eletrodo empregado na eletroerosão. É verdade que as limas têm pouco a evoluir e que não competem, no que diz respeito à exatidão, com as máquinas mais modernas. Apesar disso, tudo indica que ainda continuarão a ser utilizadas, coexistindo com outros métodos avançados de produção. Os princípios básicos de funcionamento das máquinas mais modernas, como o torno CNC, por exemplo, são semelhantes aos das máquinas convencionais. Isso significa que o operador dessas máquinas deve ter o conhecimento dos processos básicos de usinagem em torno convencional, além dos conhecimentos específicos de operação do torno CNC. Engana-se quem pensar que os métodos novos vieram para tomar lugar dos tradicionais. Seu objetivo é aperfeiçoar os métodos já existentes. Dessa forma, a tendência é que sejam reservados aos métodos tradicionais os serviços mais grosseiros, de produção em pequena escala. O que esperar dos novos métodos de fabricação De início, os métodos não tradicionais de usinagem eram reservados aos casos especiais, como materiais difíceis de usinar. Com a evolução tecnológica, foram levados à indústria convencional, onde passaram a representar considerável fonte de economia, em muitos casos. As máquinas de comando numérico deverão estar reservadas, principalmente, aos trabalhos unitários, em pequenas séries. A elas será confiada a fabricação de protótipos, modelos, matrizes, eletrodos etc. A grande vantagem desses equipamentos está na flexibilidade que apresentam, pois podem usinar peças com diferentes perfis, com uma simples troca de programa. As máquinas de eletroerosão poderão vir a concorrer com as máquinas de comando numérico. Seu preço horário é menor, o que compensa as menores taxas na remoção de material. Um atrativo deste método é que na confecção de eletrodos, em alguns casos, o acabamento manual é dispensável, o que torna a sua confecção mais rápida e mais econômica. 67 Além disso, na eletroerosão, a forma erodida da peça é bem definida, o que proporciona economia de tempo de ajuste, numa relação de montagem. As máquinas de usinagem eletrolítica, confrontadas com as máquinas de eletroerosão, deverão ser reservadas aos trabalhos repetitivos, de média precisão. Uma tendência mundial é a preferência por métodos não geradores de resíduos, para evitar impacto poluente sobre o meio ambiente. De um modo geral, pode-se afirmar que o futuro dos métodos de fabricação está intimamente associado ao desenvolvimento de novos materiais, capazes de suportar esforços extremos nas mais adversas condições de trabalho (temperaturas muito altas e muito baixas, pressões anormais, velocidades elevadas etc.). Por fim, ao que tudo indica, a indústria mecânica do século XXI será predominantemente comandada por sistemas eletrônicos e computadorizados. O impacto social da evolução tecnológica Cada vez mais os cérebros ganham importância em relação aos braços. Os novos métodos de produção permitem produzir mais, a preços mais baixos, utilizando menos mão-de-obra. Ou seja, as inovações tecnológicas e as mudanças administrativas incorporadas ao setor produtivo usam menos trabalho humano braçal, gerando menos empregos. O desemprego é considerado um dos mais graves problemas mundiais. Segundo a OIT - Organização Internacional do Trabalho -, cerca de 900 milhões de pessoas, incluídas na faixa da população economicamente ativa, estão desempregadas ou subempregadas atualmente. O grande desafio do próximo século é conciliar o aumento da capacidade de produção, proporcionado pelas inovações tecnológicas, com a capacidade de geração de trabalho. Todo mercado produtor é sustentado por um mercado consumidor. À medida que diminui a oferta de trabalho, encolhe também o mercado consumidor, a ponto de comprometer o equilíbrio do sistema social. É por isso que alguns países, como o Japão, estão começando a trilhar um caminho inverso, voltando a substituir, em alguns casos, o trabalho dos robôs por trabalho humano. Segundo esse novo enfoque, a robotização ficaria restrita aos trabalhos que pudessem acarretar riscos à saúde do trabalhador. 68 Outro aspecto importante é que as novas tecnologias não fazem discriminação quanto ao sexo: uma vez que o desenvolvimento do trabalho independe de força muscular, como era comum nos sistemas produtivos tradicionais, a mulher ganha espaço para competir, em igualdade de condições, com a força de trabalho masculina. Na prática, isso se traduz em aumento de participação feminina em áreas que anteriormente eram restritas ao sexo masculino. Novas formas de organização do trabalho O emprego formal, entendido como aquela atividade continuada, exercida por uma pessoa numa mesma empresa por muito tempo em uma tarefa específica, tal como o conhece grande parte da geração hoje engajada no mercado de trabalho, está com seus dias contados. Num futuro próximo, tudo indica que as atividades profissionais serão exercidas de forma intermitente, na empresa ou fora dela. As pessoas deverão trabalhar em projetos, com começo, meio e fim. Terminado um projeto, poderão participar de novo projeto, na mesma empresa ou em outra. Em algunscasos, o trabalho será realizado na própria casa. O profissional do futuro Para enfrentar essa nova realidade, o profissional deverá ser polivalente, isto é, capacitado a desempenhar múltiplas funções. Já há exemplos dessa tendência nos dias atuais: nas empresas onde vigora a filosofia de “qualidade assegurada”, qualquer operador tem autoridade para interromper a produção, se detectar falhas, devendo pesquisar e executar as formas de correção. No sistema TPM (manutenção produtiva total), no qual a meta é “quebra zero”, cada trabalhador é responsável pela conservação do equipamento que utiliza, o que inclui a realização de tarefas rotineiras de manutenção e limpeza. Isso valoriza o profissional, mantendo-o motivado a buscar atualização contínua. Já entramos no mundo da multifuncionalidade. Logo não haverá mais trabalho para quem foi adestrado para fazer uma coisa só. Do trabalhador espera-se uma permanente disposição para aprender. O constante avanço tecnológico exigirá dos seres humanos a dedicação de uma grande parcela do seu tempo para aprender a dominar as inovações. Nesse mundo, só haverá trabalho para quem for capaz de aprender continuamente. 69 REFERÊNCIAS: Apostilas do SENAI - “Processos de fabricação I, II, II e IV” – Telecurso Profissionalizante 2000 http://www.metalmundi.com/ http://www.abepro.org.br/ http://www.scribd.com.br/ http://engenharia.alol.com.br/ 70 71