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Tópicos em Fabricação Mecânica João Paulo Pereira Marcicano.

São Paulo 2001

Centros de Usinagem3
Tipos de Centros de Usinagem e Torneamento6
Características e Capacidades dos Centros de Usinagem7
Seleção9
Bibliografia9
Computer Integrated Manufacturing Systems10
Introdução10
Sistemas de Manufatura10
Computer Integrated Manufacturing (CIM)1
CAE (Computer Aided Engineering)14
Manufatura Auxiliado por Computador18
Planejamento de Processos Auxiliado por Computador19
Simulação em Computador dos Processos e Sistemas de Manufatura21
Tecnologia de Grupo (GT)2
Células de Manufatura23
Sistemas Flexíveis de Manufatura25
Produção Just-in-Time (JIT)28
Bibliografia30
Efeitos Ambientais das Atividades de Manufatura31
Poluição31
Prevenção à Poluição - Conceitos e definições32
Processos Avançados de Usinagem38
Introdução38
Usinagem Química39
Eletroerosão41
Usinagem por Laser42
Fabricação de Peças de Plástico e Materiais Compósitos46
Extrusão47
Moldagem por Injeção50
Moldagem por Sopro54
Termoconformação5
Processamento de Plásticos Reforçados56
Processamento de Compósitos com Matriz Metálica57
Processamento de Compósitos com Matriz Cerâmica58

Centros de Usinagem

Este capítulo descreve os principais progressos no projeto e capacidades de máquinas ferramenta controladas por computador. Conhecidos como centros de usinagem e centros de torneamento, estas máquinas possuem flexibilidade e versatilidades que outras máquinas ferramentas não possuem, sendo por isto a primeira escolha na seleção de máquinas ferramentas.

De um modo geral, as máquinas ferramenta tradicionais mesmo automatizadas são projetadas para executar basicamente um tipo de operação. As peças a serem fabricadas por sua vez podem necessitar diferentes operações para serem produzidas.

As peças da figura apresentam uma variedade de características geométricas necessitando uma variedade de operações tais como: fresamento, faceamento, furação, rosqueamento, alargamento e mandrilamento para obter estas geometrias dentro das tolerâncias e acabamento superficial especificados.

Figura – Peças que podem ser completamente usinadas por Centros de Usinagem (adaptado de KALPAKJIAN,2001).

Tradicionalmente, as operações de usinagem são executadas pela transferência da peça de uma máquina ferramenta para outra até que a usinagem seja completada. Este método de manufatura que pode ser automatizado é viável, e é o princípio por trás das “transfer lines”. Utilizadas na produção em larga escala, as linhas de transferência consistem de várias máquinas ferramenta montadas em seqüência. Por exemplo, uma peça como um bloco de motor, é movimentada de estação em estação, com uma operação de usinagem específica sendo executada em cada estação.

Entretanto, existem tipos de produtos e situações onde as linhas de transferência não são viáveis, particularmente quando os tipos de produtos a serem usinados mudam rapidamente. Um conceito importante, desenvolvido no final dos anos 50, a dos centros de usinagem, que são máquinas ferramenta controlada por computador é capaz de executar uma variedade de operações de usinagem em superfícies e direções diferentes na peça. Em geral, a peça permanece parada e as ferramentas de corte giram, como em operações de fresamento e furação.

O desenvolvimento de centros de usinagem está relacionado aos avanços no controle numérico de máquina ferramenta.

Figura – Centro de Usinagem Horizontal (adaptado de KALPAKJIAN,2001).

A peça em um centro de usinagem é colocada em um “pallet” ou módulo que pode ser movido e orientado em várias direções. Após uma determinada operação de usinagem ter terminado, a peça não necessita ser transportada para outra máquina para executar outras operações, em outras palavras as ferramentas e as máquinas são trazidas para a peça.

Após o término das operações, o pallet automaticamente sai com a peça terminada e outro pallet com outra peça a ser usinada é posicionado pelo alimentador automático de pallet. Todos os movimentos são controlados por computador e o tempo de troca dos pallets é da ordem de 10 a 30 segundos. Estações de pallets são disponíveis com vários pallets trabalhando para o centro de usinagem. As máquinas podem também ser equipadas com acessórios como dispositivos para alimentação e retirada de peças.

Figura – Centro de Usinagem Horizontal, fabricante Cincinnati. O centro de usinagem é equipado com um sistema de troca de ferramenta programável.

Dependendo da máquina, até 200 ferramentas podem ser armazenadas em um magazine, cilindro ou correia. Sistemas auxiliares de armazenamento de ferramentas para mais ferramentas são disponíveis em alguns centros de usinagem. As ferramentas são automaticamente selecionadas com acesso aleatório e considerando-se o melhor trajeto até o cabeçote da máquina. O braço de troca de ferramenta monta a ferramenta no cabeçote da máquina.

As ferramentas são identificadas por etiquetas codificadas, código de barras, ou chips fixados nos suportes da ferramenta. O tempo de troca da ferramenta é da ordem de 5 a 10 segundos, este tempo pode ser menor que um segundo para ferramentas pequenas, ou de até 30 s para ferramentas pesando 110 Kg. A tendência em trocadores de ferramentas é a utilização de mecanismos simples para acelerar o processo.

Os centros de usinagem podem ser equipados com dispositivos para inspeção de ferramenta e/ou peça que podem obter informações para que o controle numérico compense qualquer variação nos ajustes e desgaste de ferramenta. Probes de toque podem automaticamente: determinar superfícies de referência da peça, selecionar dados de ajuste de ferramentas, e inspecionar em tempo real as peças fabricadas.

Tipos de Centros de Usinagem e Torneamento

Apesar de existirem diferentes várias formas construtivas de centros de usinagem, os dois tipos básicos são: com cabeçote vertical, com cabeçote horizontal, mas muitas máquinas são capazes de usar os dois eixos. A dimensão máxima que as ferramentas podem alcançar na peça é conhecida como envelope de trabalho, este termo foi inicialmente utilizado em robôs industriais.

Centros de usinagem com cabeçote vertical ou centros de usinagem vertical, são apropriados para executar diversas operações de usinagem em superfícies planas com cavidades profundas, por exemplo, na fabricação de moldes e ferramentas. Nestas máquinas, a componente de força de usinagem na direção de separação atua no sentido descendente empurrando a peça para baixo, em função da forma construtiva a rigidez é grande, como resultado as peças podem ser produzidas com boa precisão dimensional. Estas máquinas, de um geral, são mais baratas que os centros de usinagem horizontais.

Centros de usinagem com cabeçote horizontal ou centros de usinagem horizontal são adequados para a usinagem de peças pesadas e grandes que necessitam usinagem em várias superfícies. O pallet pode ser orientado segundo diferentes eixos em posições angulares variadas.

Outra categoria de máquinas com eixo horizontal são os centros de torneamento, que são tornos controlados por computador com vários recursos. Estas máquinas podem possuir vários placas para fixação de peças e várias torres para as ferramentas.

O centro de usinagem universal é equipado com cabeçotes vertical e horizontal. Este tipo de máquina possui vários recursos e são capazes de usinar todas as superfícies de uma peça : vertical, horizontal e diagonal.

Figura – Centro de Torneamento. (adaptado de KALPAKJIAN,2001).

Figura – Centro de Torneamento, fabricante Cincinnati.

Características e Capacidades dos Centros de Usinagem

As principais características dos centros de usinagem são: - Capacidade de manipular uma grande variedade de tamanhos e formas de peças eficientemente, economicamente e com alta exatidão dimensional, as tolerâncias dimensionais são da ordem de ±0,0025 m.

- As máquinas são versáteis, tendo em média seis eixos de movimento linear e angular, e são capazes de rapidamente mudar de um tipo de produto para outro , então a necessidade de máquinas diferentes e espaço físico são significativamente reduzidos.

- O tempo necessário para alimentar e retirar as peças , troca de ferramentas, calibração, e acertos são reduzidos, então a produtividade é aumentada, reduzindo a necessidade de mão de obra (especialmente mão de obra treinada) e minimizando os custos de produção.

- São altamente automatizados e relativamente compactos, um operador pode supervisionar duas ou mais máquinas ao mesmo tempo.

- As máquinas são equipadas com dispositivos de monitoramento da condição da ferramenta para a detecção de quebra de ferramenta e desgaste, bem como com probes para compensação de desgaste de ferramenta e para posicionamento de ferramenta.

- Calibração e inspeção em processo e após processo são disponíveis em centros de usinagem.

Os centros de usinagem são disponíveis com uma grande variedade de tamanhos e recursos, os custos estão na faixa de 50.0 a 1 milhão ou mais. A potência é de até 100 hp e a máxima rotação é de 4000 a 8000 rpm, alguns podem trabalhar até 75000 rpm. Alguns pallets podem suportar peças que pesam 7000 Kg.

Figura – Centro de Usinagem Horizontal com 5 eixos (adaptado de KALPAKJIAN,2001).

Figura – Centro de Usinagem Vertical, fabricante Cincinnati.

Seleção

Centros de Usinagem podem necessitar de significativos dispêndios de capital, para haver retorno geralmente tem de ser utilizados em pelo menos dois turnos por dia. Conseqüentemente deve haver demanda suficiente para mantê-lo em funcionamento. Por causa da sua versatilidade, os centros de usinagem podem ser utilizados para produzir uma vasta gama de produtos particularmente com o conceito de just-in-time.

A seleção do tipo e capacidade do centro de usinagem depende de vários fatores: - Tipo de produtos, tamanho e complexidade de forma dos mesmos.

- Tipo de operações a serem executadas e o tipo e número de ferramentas de usinagem necessários. - Precisão dimensional necessária.

- Taxa de produção.

Apesar da versatilidade ser o fator chave na seleção de centros de usinagem, estas considerações sevem ser consideradas frente ao alto investimento de capital necessário e comparar com os custos de manufatura do mesmo produto utilizando máquinas ferramenta tradicionais.

Bibliografia

KALPAKJIAN,2001 – Kalpakjian,S.;Schmid,S.R.; Manufacturing Engineering and Technology, 2001; 4o edição; Prentice Hall.

10 Computer Integrated Manufacturing Systems

Introdução

A integração significa que os processos de fabricação, operações e o gerenciamento são tratados como um sistema, onde é possível exercer total controle dos recursos de fabricação com conseqüente aumento de produtividade, qualidade do produto, confiabilidade e redução dos custos de fabricação.

No ambiente CIM as funções tradicionalmente separadas de pesquisa&desenvolvimento, projeto, produção, montagem, inspeção e controle de qualidade são integradas. Esta integração exige o conhecimento quantitativo da interface entre projeto do produto, materiais, processos de fabricação e capacidades de máquinas e outras atividades relacionadas ao ciclo de fabricação. Deste modo, mudanças nos requisitos de materiais, tipos de produtos ou demanda podem ser ajustadas pelo sistema. As máquinas, ferramentas, e as operações de fabricação devem possuir um certo grau de flexibilidade, para ser capaz de responder a mudanças e garantir a entrega pontual dos produtos. Falhas relacionadas ao prazo de entrega na atividade industrial podem destruir planos de produção e agendamento de atividades causando um significativo impacto econômico. Em um ambiente globalizado altamente competitivo, atrasos na entrega de produtos podem significar a perda de clientes que podem facilmente escolher outro fornecedor.

Sistemas de Manufatura

A palavra de origem grega systema significa combinar. De um modo geral sistema é entendido como um arranjo de entidades físicas caracterizadas por parâmetros quantificáveis de interação entre as entidades. A fabricação engloba atividades interdependes em entidades distintas como: materiais, ferramentas, máquinas, energia e recursos humanos; podendo ser vista como um sistema.

A fabricação é um sistema complexo, porque é composto por elementos físicos diversos e humanos, sendo alguns difíceis de serem previstos e controlados, como suprimentos e custo de matéria prima, mudanças de mercado e comportamento e performance humana. De modo ideal, devemos ser capazes de representar um sistema através de modelos matemáticos e físicos onde pode-se demonstrar a natureza e interdependência das variáveis envolvidas. Em um sistema de manufatura, um distúrbio em algum ponto do sistema requer que o próprio sistema se ajuste de modo a continuar funcionando eficientemente.Por exemplo, se o suprimento de uma determinada matéria-prima é reduzido e seu custo aumentado, materiais alternativos devem ser selecionados. A seleção deve ser feita após cuidadosa análise dos efeitos que a mudança pode acarretar na qualidade do produto, taxa de produção e custos de fabricação. A modelagem como um sistema complexo pode ser difícil, por causa da falta de dados confiáveis e completos de muitas variáveis envolvidas. Além disso, não é fácil predizer corretamente e controlar algumas variáveis. Por exemplo:

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