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Oswaldo Luis Agostinho

Ronaldo Castro Vilella (In Memoriam) Sérgio Tonini Button

Prefácio

Este texto foi preparado para disciplinas de Introdução à Engenharia de

Fabricação em cursos de graduação em Engenharia Mecânica. É uma versão revisada e ampliada de uma primeira edição elaborada em 1.989.

Faz-se uma breve descrição dos principais processos de fabricação empregados na indústria de transformação, envolvendo conformação plástica, fundição, soldagem e usinagem. Em cada um dos processos, procura-se destacar os aspectos relacionados com a capacidade desses processos principalmente no que se refere à qualidade dimensional e superficial e ao custo dos produtos obtidos. Para uma análise mais detalhada desses processos recomenda-se a pesquisa nos textos referidos na bibliografia.

O planejamento de processos de fabricação é focalizado na conformação por usinagem, por envolver uma maior variedade de processos e produtos. Porém, como citado ao longo do texto, tem-se por objetivo apresentar os procedimentos básicos para tal atividade, deixando para outras disciplinas o desenvolvimento dos outros processos de conformação de metais.

Na elaboração do texto contou-se com a participação de docentes e pesquisadores do Departamento de Engenharia de Fabricação da Faculdade de Engenharia Mecânica da UNICAMP, aos quais os autores agradecem a importante colaboração.

Apresentação

1 - Introdução à Engenharia de Fabricação 1.1 - Introdução 1.2 - Departamentos de uma organização

2 - Processos de Fabricação 2.1- Introdução 2.2- - Processos de Fundição

A - Tipos Principais B - Avaliação dos Processos de Fundição 2.3 - Processos de Conformação

A - Definição de Conformação Plástica B - Descrição dos Processos de Conformação C - Considerações a Respeito dos Processos de Conformação 2.4 - Processos de Usinagem

A - Introdução B - Condições de Usinagem C - Processos de Usinagem 2.5 - Processos de Soldagem

A - Introdução B - Processos de Soldagem

3 - Planejamento de Processos 3.1 - Introdução 3.2 - O Planejamento do Processo 3.3 - Tecnologia de Grupo 3.4 - A Seleção de Peças em Bruto 3.4.1 - Introdução 3.4.2 - Peças Similares a Sólidos de Revolução com

Relação L/D Grande 3.4.3 - Peças Similares a Sólidos de Revolução com

Relação L/D Pequena 3.4.4 - Peças Não-similares a Sólidos de Revolução 3.4.5 - Conclusão 3.5 - Operações de Referência 3.5.1 - Introdução 3.5.2 - Peças Similares a Sólidos de Revolução com

Relação L/D Grande 3.5.3 - Peças Similares a Sólidos de Revolução com

Relação L/D Pequena 3.5.4 - Peças Não-similares a Sólidos de Revolução 3.6 - Sobremetal de Usinagem 3.6.1 - Definições e Conceitos Básicos

3.6.2 - Sobremetal Mínimo Necessário 3.6.3 - Tolerâncias e Sobremetais Operacionais 3.7 - Operações de Usinagem 3.7.1 - Introdução 3.7.2 - Peças Similares a Sólidos de Revolução com

Relação L/D Grande A - Operações de Torneamento B - Operações de Retificação C - Operações de Corte de Dentes de Engrenagens D - Operações de Acabamento de Dentes de Engrenagens 3.7.3 - Peças Similares a Sólidos de Revolução com

Relação L/D Pequena A - Operações de Torneamento B - Operações de Brochamento C - Operações de Retificação D - Operações de Corte e Acabamento de Dentes de Engrenagens 3.7.4 - Peças Não-similares a Sólidos de Revolução

A - Operações de Faceamento B - Operações de Furação, Alargamento e Retificação C - Operações de Mandrilamento 3.8 - Tratamentos Térmicos 3.8.1 - Introdução 3.8.2 - Descrição dos Tratamentos Térmicos

A - Recozimento B - Normalização C - Tempera D - Revenido E - Cementação F - Nitretação 3.8.3 - Problemas Decorrentes do Tratamento Térmico

A - Profundidade da Camada Endurecida na Cementação ou nitretação

B - Empenamento e Deformações de Centros C - Problemas de Deformações em Engrenagens 3.9 - Análise de Casos 3.9.1 - Introdução 3.9.2 - Seqüência Básica de Processo 3.9.3 - Exemplos

1 Introdução à Engenharia de Fabricação

1.1 - lntrodução

Para que um produto qualquer, seja ele um conjunto mecânico ou não, tenha boa aceitação pelo mercado consumidor, não é suficiente que tenha um bom projeto de dimensionamento, com suas respectivas verificações dos esforços, desgastes e vida útil.

Dentro de um ciclo de produção desse produto, a fase de projeto e dimensionamento é apenas uma das muitas que deverão ser percorridas até que o produto seja colocado no mercado. As fases posteriores, a serem percorridas e previstas são:

• A condição de intercambialidade entre as diversas peças componentes, fabricadas em épocas diferentes e, eventualmente, por fábricas diferentes, deverá ser mantida. Somente através desta condição, o produto atingirá um índice de credibilidade suficiente para ser consumido em larga escala, sem preocupação de reposição de peças que não venham a ter a mesma eficiência da peça original. Esta condição pode ser atingida ainda em fase de projeto, com a introdução dos conceitos de tolerâncias de ajuste entre as peças, especificações de desvios de forma e posição, rugosidade superficial, além do estudo dos acúmulos de tolerâncias que permitam a montagem do conjunto dentro das condições previstas em cálculos de dimensionamento.

• A qualidade do produto deve ser mantida constante ao longo dos lotes produzidos.

• O custo final deverá ser o menor possível. Esta condição completa as outras duas, fechando o cicio de pré-requisitos que devem ser atingidos para que o produto tenha condições de competição.

Observa-se portanto que as duas últimas fases só poderão ser manipuladas após o desenho ser liberado para produção.

Inserida entre o projeto do produto e a sua produção propriamente dita, encontra-se toda uma metodologia de análise e tratamento tecnológico dos problemas, surgida da necessidade de se fazer cumprir e respeitar essas duas importantes fases do ciclo produtivo de um produto, denominada de Engenharia de Fabricação.

A figura 1.1 representa o ciclo de um produto, desde a sua necessidade e viabilidade, até sua entrega ao público. Esse diagrama pretende representar genericamente um organograma funcional, não se considerando casos particulares de organização.

Figura 1.1 - Diagrama funcional mostrando a Engenharia de Fabricação dentro do ciclo produtivo de uma empresa. Figura 1.1 - Diagrama funcional mostrando a Engenharia de Fabricação dentro do ciclo produtivo de uma empresa.

1.2 - Departamentos de uma Organização

Dentro do Diagrama Funcional apresentado na figura 1.1 observa-se que alguns setores ou departamentos desempenham um papel fundamental.

a) Engenharia do Produto

A partir das informações de funcionamento, desempenho e vida útil, entre outras, a Engenharia do Produto deverá:

• Definir dimensões, tolerâncias dimensionais e geométricas, acabamentos superficiais, tratamentos térmicos, etc.;

• Testar os protótipos a fim de verificar sua funcionalidade e qualidade.

Após essas fases, o desenho do produto é então definido, devendo ser respeitado em todas as fases subseqüentes da fabricação.

b) Produção

A esse departamento cabe a função de produzir as quantidades programadas dentro do prazo definido.

Naturalmente, dentro da sua função específica de produzir peças, cumprindo um determinado programa estabelecido de acordo com as necessidades de venda, este departamento deverá ser subsidiado com informações técnicas bastante detalhadas com previsões e antecipações de eventuais problemas.

c) Controle de Qualidade

Para que se assegure que a peça, no fim do seu ciclo de fabricação, seja uma cópia fiel do desenho originado em Produto, haverá necessidade de pessoal que faça cumprir as exigências dimensionais, metalúrgicas e especificações técnicas nele contidas. Esta função está determinada ao Controle de Qualidade. As principais metas a serem atingidas pelo Controle de Qualidade são:

• Determinar as tolerâncias funcionais e realmente necessárias que devem ser especificadas pelo desenho do produto. Este retomo de informações à Engenharia do Produto é de vital importância para adequação do projeto à capacidade produtiva da fábrica.

• Determinar o plano de controle de qualidade dos resultados obtidos pelo processo de fabricação ao longo do tempo. Esta comunicação com a Engenharia de Fabricação, através de estudos de capacidade de máquinas ou processos, além do Controle Estatístico de Qualidade, permite melhorar continuamente os processos de fabricação.

• Conhecer a segurança oferecida pelas montagens das máquinas nas diversas operações do processo de fabricação. Este conhecimento permite à produção, fabricar peças dentro dos limites de rejeição pré-estabelecidos.

• Desempenhar corretamente, através das três atribuições anteriores, a função de fazer respeitar a qualidade do produto que foi estabelecida através do compromisso entre um desenho do produto compatível com o desempenho dele esperado e sua respectiva adequação aos meios produtivos disponíveis.

d) Engenharia de Fabricação

O elo de ligação entre as responsabilidades de projetar, produzir e controlar a qualidade, está atribuído a um grupo de pessoas e, de uma maneira mais geral, a uma filosofia técnica conhecida como Engenharia de Fabricação. A Engenharia de Fabricação deve abranger, em princípio:

• Processos de Fabricação

A partir dos desenhos das peças, determinar os processos produtivos, fornecendo a seqüência de fabricação, máquinas, ferramental de corte, fixação e medição, condições de usinagem, etc.

• Projeto de Ferramental

• Ferramentaria

• Planejamento e Almoxarifado de Ferramental

• Tempos e Métodos

A partir da seqüência de fabricação estabelecida pelos processos de fabricação, determina, para as diversas operações, os tempos padrões para a sua execução. Os tempos assim determinados serão usados para a determinação do custo da peça, controle de eficiência do operador, relação entre horas trabalhadas e horas disponíveis e, eventualmente, prêmios de produção.

• Arranjo Físico

Determina a posição das máquinas produtivas através das informações recebidas dos processos de fabricação.

2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO

2.1 - Introdução

Os processos de fabricação mecânica têm como objetivo a modificação de um corpo metálico, com o fim de lhe conferir uma forma definida.

Os processos de fabricação podem ser divididos em dois grupos: processos mecânicos, nos quais as modificações de forma são provocadas pelas aplicações de tensões externas e processos metalúrgicos, nos quais as modificações de forma estão relacionados com altas temperaturas. A figura 2.1 esquematiza essa divisão dos processos de fabricação.

Figura 2.1 - Representação esquemática dos processos de conformação dos metais

2.2 - Processos de Fundição

A base de todos os processos de fundição consiste em alimentar o metal líquido na cavidade de um molde com o formato requerido, seguindo-se um resfriamento, a fim de produzir um objeto sólido resultante da solidificação.

Os vários processos diferem, principalmente, na maneira de formar o molde, em alguns casos, como no da moldagem em areia, constrói-se um molde para cada peça a ser fundida e, subseqüentemente, ele é rompido para remover-se o fundido, ou seja, desmoldá-lo. Em outros casos, como por exemplo na fundição sob pressão, usa-se um molde permanente repetidas vezes, para uma sucessão de fundições, removendo-se o fundido após cada fundição, sem danificar o molde. Em ambos os casos, entretanto, é necessária uma provisão de metal líquido que preencha todas as partes do sistema e permaneça no local até que sua solidificação termine.

As etapas básicas e a terminologia podem ser mais ilustradas considerando-se a fundição num molde de areia, conforme se vê na figura 2.2. Primeiro é necessário um modelo do objeto a ser fundido. Ele pode ser manufaturado com madeira, metal ou outros materiais. O molde é feito por compactação de areia em torno do modelo, com toda a estrutura contida numa caixa de moldagem.

Usualmente o molde é feito em duas partes: uma superior e outra inferior. A superfície do modelo é tratada para facilitar sua remoção após a moldagem. Se o fundido deve possuir regiões ocas, são feitos modelos separados denominados machos que são colocados no interior da cavidade deixada pelo modelo fundido. O espaço entre a cavidade e o macho será então preenchido pelo metal líquido, que solidifica, formando-se a peça fundida.

A provisão de metal é feita por meio de um sistema de canais de alimentação existentes no molde. Ao mesmo tempo faz-se uma grande abertura rebaixada denominada de bacia de vazamento, para facilitar a entrada do metal no molde. São abertos canais alargados para permitir que o metal escoe para fora da cavidade do molde após seu preenchimento, mantendo assim uma cabeça metalostática durante a solidificação. Esses canais são conhecidos como massalotes ou montantes. A figura 2.3 mostra a terminologia do sistema de entrada do metal e alimentação do molde.

Terminada a solidificação, a peça fundida é removida do molde por um processo conhecido como demoldagem. Em seguida, os machos são extraídos por impacto e os alimentadores são cortados. A areia restante é removida e a peça esta pronta para as operações de rebarbação.

Nos processos de molde permanente são usados normalmente moldes metálicos que possuem os requisitos necessários para os sistemas de vazamento e alimentação. As dificuldades que envolvem a produção de moldei metálicos são responsáveis pelo alto custo dos processos que utilizam moldes permanentes.

Pode-se fundir peças de forma simples ou complicadas, peças com partes ocas, etc. Nos anos recentes, a fundição evoluiu de tal maneira que não existe peça que não possa ser fundida. Deve-se sempre, porém, dirigir-se o projeto da peça às vantagens e limitações de cada processo de fundição.

A - Tipos principais

• Fundição em Areia

Utiliza-se a areia como material de moldagem. A areia deve ser previamente preparada através de homogeneização. A gravidade é usada para vazamento do metal líquido.

O método mais simples de se conformar o molde é construí-lo manualmente. Esta é uma prática ainda comum para moldes grandes, ou quando estão sendo produzidas amostras de fundidos.

Figura 2.2 - Etapas que envolvem a produção de um molde simples

Figura 2.3 - Terminologia dos sistemas de canais de alimentação.

Para produção em larga escala são adotados processos automáticos ou semi-automáticos, utilizando máquinas de moldagem.

O processo básico de fundição em areia apresenta muitas vantagens. Possui grande flexibilidade como processo e é simples, econômico e pode ser usado na produção de peças fundidas de grande variedade de tamanhos, desde alguns gramas até várias toneladas. As perdas de material do molde são pequenas, já que a areia pode ser recuperada.

Por outro lado, a fundição em areia não pode ser empregada para seções finas ou formatos intrincados, pois a precisão dimensional e o acabamento superficial são geralmente pobres. Em muitos casos e particularmente com peças fundidas muito grandes, a erosão da face do molde pelo metal líquido traz sérias dificuldades. Para superar tais problemas, a maior parte dos desenvolvimentos em fundição em areia tem sido feita no tocante ao aumento da rigidez dos moldes e machos.

• Fundição em Casca (Shell Molding)

Para peças precisas usa-se resina fenólica para recobrir a areia. Pode ser usada onde haja necessidade de melhor acabamento superficial. Neste caso pode-se aplicar a moldagem manual ou mecanizada.

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