Implementação de um novo processo de usinagem de roscas helicoidais

Mudar é preciso, sendo imprescindível estarmos preparados para os avanços tecnológicos em nossa sociedade. Segundo Bornia, (2009) a situação em que as empresas se encontram atualmente, segue em constante modificação.

A disputa do mercado está cada vez maior. O crescimento da concorrência, em consequência dessa modificação, faz com que os processos produtivos das empresas se transformem, para assim se adaptarem em um novo ambiente.

Tendo como um dos principais objetivos a redução de custo de produção dentro de uma empresa, deve-se observar a importância das ferramentas de corte na prática de uma manufatura mais eficiente, especificamente nos processos de usinagem, onde este apresenta grande representatividade na indústria mundial.

A otimização dos parâmetros de corte das ferramentas, já vem sendo realizada há muito tempo, baseada principalmente na redução do tempo de fabricação, que é alcançado com a utilização da ferramenta correta, utilização de avanços e profundidades de corte coerentes com a capacidade da máquina. (Coppini,1998).

Com o advento de novas tecnologias, surgem máquinas-ferramentas mais eficientes, permitindo proporcionar novos recursos de usinagem, possibilitando às indústrias a confecção de complexos produtos, com alta qualidade, e com o mínimo de custo de produção. Ainda hoje, há necessidade de estar atento aos recursos que surgem, pois, a informática é uma ferramenta que não estaciona no tempo, possibilitando avanços progressivos na indústria manufatureira. Como o processo de fabricação (CNC), que possibilita as indústrias um novo padrão de produção, assentada em 100% de rendimento, alta qualidade do produto, agilidade, segurança e confiabilidade (Silva, 2002).


Fundamentação teórica

O curso de graduação profissional, Tecnólogo em Manutenção Industrial, possibilita ao aluno adquirir diversas competências. Conhecimento técnico, científico e a capacidade de desenvolver projetos, afim de intervir nos processos produtivos e organizacionais que tornem a empresa mais ágil.

Com esta premissa, segue o desenvolvimento deste artigo, necessitando compreendimento das áreas de elementos de máquinas, usinagem, tecnologias CNC/CAD/CAM, gestão empresarial entre outros assuntos pertinentes ao desenvolvimento de projetos.

1. Elementos de máquinas

Conforme Norton (2000), o parafuso sem fim é constituído por uma rosca helicoidal. Ele se acopla com uma engrenagem sem-fim, também chamada de coroa ou roda sem-fim como mostra a figura 1.

Podem produzir razões de engrenamento muito grandes (até 360:1). A sua principal desvantagem é o rendimento baixo com relação a outros engrenamentos.


Figura 1 - Redutor de parafuso cilíndrico. Fonte: Niemann (1971)

De acordo com Pierini (2014), os redutores Coroa/Sem fim possuem um rendimento de trabalho em torno de 85%.

O parafuso sem fim pode possuir uma ou mais entradas e a quantidade de entradas está relacionada com o avanço obtido por volta, isto é, para saber o avanço de um parafuso sem fim, basta multiplicar o passo do parafuso (distância entre filetes consecutivos de rosca) pelo número de entradas. (Melconian, 2008)

2. Características da rosca

As características da rosca helicoidal apresentadas neste artigo, são definidas pela norma NBR 5876, como uma superfície composta, gerada por um ou mais perfis, quando todos os seus pontos descrevem hélices.

De acordo com Stemmer (1995), ângulo do avanço: na rosca cilíndrica é o ângulo formado pela hélice da rosca na linha efetiva, com o plano perpendicular ao eixo.

Ângulo de hélice: é o ângulo feito pela hélice da rosca em relação ao eixo. O ângulo da hélice é o complemento do ângulo de avanço.

Para calcular o ângulo de hélice da rosca fator importante nesta usinagem, deve-se usar esta equação, Eq. (1):

Onde:

a: ângulo de hélice

i: avanço (passo x N˚ de entradas)

n: número de entradas

p: passo

d: diâmetro efetivo

3. Processo de rosqueamento

Como a intenção deste artigo é aprimorar o processo de rosqueamento, na produção de roscas dos parafusos sem fim, deve-se ressaltar as suas características neste trabalho.

O processo de rosqueamento trata-se, de uma usinagem destinada a obtenção de filetes, por meio da abertura de um ou vários sulcos helicoidais de passo uniforme, em superfícies cilíndricas ou cônicas de revolução. Para tanto, a peça ou a ferramenta gira e uma delas se desloca simultaneamente, segundo uma trajetória retilínea paralela ou inclinada ao eixo de rotação. (Ferraresi, 1977).

Segundo Stemmer (1995), para roscas com maior profundidade como no caso de parafusos sem fim de redutores de velocidade, recomenda-se realizar cortes sucessivos normalmente ao seu eixo ou pode avançar numa direção inclinada, usando o avanço composto, que seria um avanço adicional (transversal + longitudinal), ao longo do flanco da rosca como mostra a figura 2. A ferramenta usada pode ter um ângulo de saída adequado, pois o corte será só de um lado, pela ação do gume principal. O gume secundário deve ter uma folga em relação ao segundo flanco de aproximadamente 1˚, possibilitando assim condições de usinagem favoráveis.

Figura 2 - Avanço composto (transversal + longitudinal). Fonte: Stemmer (1995)

A posição da ponta da ferramenta, deve ser ajustada exatamente no centro da peça, se a ferramenta for colocada muito alta, fica com muito contato com a superfície de incidência, produzindo aquecimento excessivo e superfície rugosa. Se a ponta estiver muito baixa, haverá modificação nos ângulos normais da ferramenta, sobrecarregando-a excessivamente, arriscando a quebra-la (Freire, 1975).

Outro método de manufatura, utilizado para a execução de roscas, é o processo de fresagem, com ferramenta acionada de perfil único, que permite obter economicamente, roscas precisas de diversos tipos, é um processo usado na execução de roscas, em geral de passo grande. A peça gira lentamente, produzindo a velocidade do avanço, enquanto o cabeçote porta-fresa se desloca paralelamente, ao eixo da peça, de um passo para cada volta da peça. O cabeçote porta-fresa, deve ser basculado de um ângulo igual ao ângulo de avanço da rosca. O centro de basculamento deve coincidir, exatamente com a linha de centro da forma a obter. No caso de roscas de passo muito grande, ou de várias entradas, o cabeçote porta-fresa deve ter um suporte externo para conferir-lhe maior rigidez. (Stemmer, 1995).

4. Características da ferramenta de rosqueamento

A geometria da ferramenta de corte, exerce grande influência no desempenho do processo de rosqueamento. Por melhor que seja o material da ferramenta, se a sua geometria não for preparada adequadamente, não haverá êxito na operação. Existem diversos materiais, que são utilizados para a fabricação de ferramentas de corte. Comumente encontramos no mercado, ferramentas de aço rápido, as quais possuem boa tenacidade, e as de metal-duro, no qual este material é obtido por sinterização, e apresenta boa estrutura, elevada dureza, boa resistência ao desgaste, elevadas temperaturas e resistência à compressão. (Cavaler, 2008).

A geometria da ferramenta, denomina-se por diversas características, como a cunha cortante, parte da ferramenta na qual o cavaco se origina, estas podem ser retilíneas, angulares ou curvilíneas, as superfícies de folgas, são as superfícies da cunha cortante, que defrontam com as superfícies de corte, a superfície de saída, é a superfície da cunha cortante, sobre a qual o cavaco se forma. (Ferraresi, 1977).

5. Ângulos da ferramenta

De acordo com Stemmer (1995), o ângulo de incidência varia de 5 a 10˚ graus. Deve-se observar, porém que devido ao ângulo de hélice da rosca, o ângulo efetivo de incidência é reduzido num flanco, e aumentado no outro. O ângulo efetivo de incidência, deve ter pelo menos 3 a 5˚ graus. Para tanto, em roscas de passo muito grande, uma das superfícies de incidência deve ser maior, resultando numa ferramenta assimétrica.

O ângulo de saída efetivo fica diferente também nos dois flancos, produzindo condições desfavoráveis de usinagem. Para corrigir isso, especialmente no caso de ângulos de hélice maiores do que 10˚, monta-se o cabo da ferramenta inclinado, como mostra a figura 3. Ocorrem neste caso, deformações no perfil da rosca, que, entretanto, podem ser corrigidos, por compensação adequada no perfil da ferramenta (Freire, 1975).


Figura 3 - Ângulo de incidência. Fonte: Stemmer (1995)

6. Acabamento superficial da usinagem

O acabamento superficial, geralmente especificado em projetos mecânicos, como a representação de rugosidade, consiste em um conjunto de irregularidades, com espaçamento regular ou irregular, que tendem a formar um padrão, ou textura, em uma superfície conforme figura 4. Estas irregularidades, estão presentes em todas as superfícies reais, por mais perfeitas que estas estejam, e muitas vezes, constituem uma herança do método de fabricação, empregado na obtenção da superfície (rosqueamento, torneamento, fresamento, furação). A importância da rugosidade, justifica-se pela relação com outros fatores, como a precisão e a tolerância, muito importante em redutores de velocidade, neste caso, superfícies com rugosidades mais pronunciadas, estarão expostas a desgastes mais intensos, do que sofreriam, se tivessem um melhor acabamento superficial (Amorin, 2002).

Figura 4 - Rugosidade média aritmética Ra. Fonte: Tedesco (2007)

A textura superficial, pode estar relacionada ao desempenho do componente fabricado, no que diz respeito, a sua capacidade de operação, dentro dos padrões de qualidade, um bom exemplo, é o caso de duas superfícies de contato, em movimento relativo, quanto mais lisas forem as superfícies, melhor vai ser seu rendimento, como o processo de rosqueamento, apresenta alterações na superfície da peça, na ordem de grandeza de micrometros, que podem reduzir a resistência a fadiga das peças, se faz necessário, um acabamento superficial pós máquina, como a retífica, no caso das roscas helicoidais, para assim aumentar seu rendimento dentro de um redutor e atender normas internacionais de qualidade (Santos, 2005).

7. CNC/ CAD/ CAM

De acordo com Bigaton (2003), o Comando Numérico Computadorizado (CNC), é um equipamento eletrônico capaz de receber informações, através de uma entrada própria de dados, compilar essas informações e transmiti-las, em forma de comando para a máquina, estas informações são responsáveis, pelo acionamento dos motores que darão à máquina, os movimentos desejados, de modo que, sem a intervenção do operador, realize as operações na sequência programada.

As máquinas (CNC) são programáveis, e possuem ciclos de usinagem do fabricante, para facilitar a programação manual, principalmente na produção de geometrias regulares (Gonçalves, 2007).

O sistema CAD/CAM, é definido como um sistema gráfico interativo computacional, equipado com software , que realiza tarefa de projeto e manufatura. O sistema CAM realiza a leitura das geometrias da peça, armazenada em um arquivo gráfico, criado no software CAD, e desenvolve a geração de programas CNCs, conforme os dados fornecidos pelo programador usuário do CAM (Groover, 2011).

Procedimento metodológico

Para a implementação do processo de rosqueamento CNC, da rosca helicoidal deste artigo, obteve-se a necessidade, de ser realizado um procedimento metodológico, na faculdade SATC. Foi efetuado testes de usinagem em um torno CNC, especificamente o Romi Centur 30D com comando numérico da Siemens (Sinumerik 802D).

Foi realizado a usinagem de 4 corpos de prova, utilizando um inserto intercambiável de rosqueamento específico. Para a fixação deste inserto, foi projetado um suporte de fixação, no software de engenharia CAD. Foi também realizado, um programa numérico computadorizado, implementando uma lógica algorítmica, afim de realizar condições favoráveis de usinagem.

Depois de efetuado, os procedimentos de manufatura, foi realizado, testes de rugosidade nos corpos de prova, e comparado, o atual processo destas roscas, com o processo de usinagem proposto por este artigo.

1. Rosca helicoidal

A rosca helicoidal apresentada neste artigo possui características importantes para efetuar seu movimento de transmissão como mostra a figura 5. Essas características são, diâmetro externo de 31,26 mm, diâmetro efetivo de 26,64 mm, diâmetro interno de 21,25 mm, ângulo de hélice de 9,84˚, passo de 7,25 mm, 2 entradas e seu material de aço carbono (SAE 1045), estas medidas foram retiradas do projeto do redutor em questão.


Figura 5 - Rosca helicoidal utilizada neste artigo. Fonte: Autor (2018)


2. Suporte projetado para a fabricação de roscas

Para executar o processo de usinagem, da rosca em questão, foi projetado no software de engenharia CAD, um suporte específico para esta aplicação, como mostra a figura 6. De acordo com Stemmer (1995), se faz necessário, a aplicação de uma inclinação, no próprio suporte, quando se trata de uma rosca, com passo consideravelmente grande. Caso da rosca deste projeto, deve-se inclinar o suporte com ângulo igual ao da hélice da rosca.


Figura 6 - Suporte de fixação com ângulo aplicado. Fonte: Do Autor (2018)

Em seguida este suporte, foi totalmente produzido no laboratório de usinagem, da Faculdade SATC. Esta ferramenta apresenta características precisas, principalmente na fixação do inserto. Optou-se em desenvolve-la no centro de usinagem Romi D 600, com comando numérico (Fanuc). Foi utilizado o quarto eixo, mantendo, um perfeito esquadrejamento do suporte, pois o mesmo, foi totalmente usinado sem ser removido da máquina. A programação foi elaborada no software de engenharia CAM, o material utilizado no suporte foi o aço (SAE 1045) como mostra a figura 7.


Figura 7 - Suporte usinado no centro de usinagem D600. Fonte: Do Autor (2018)

Na sequência como mostra a tabela 1, foram levantados, todos os valores para a fabricação desse suporte, a fim de verificar, o custo do investimento, da implementação deste novo processo.


Fonte: Do autor (2018)

3. Descrição dos processos atual e proposto

Para uma visualização ampla, da implementação do processo de rosqueamento CNC, se faz necessário a análise, entre o processo proposto e o atual, a fim de observar, se a intenção deste artigo realmente, atende as exigências de uma manufatura eficiente.

3.1. Custos por hora dos processos

Para comparação entre os processos, na figura 8 encontra-se o fluxograma que envolve a análise do custo de produção das roscas helicoidais, entre os dois processos deste artigo.


Figura 8 - Processos de fabricação: A processo atual B processo proposto. Fonte: Do autor (2018)

Em sequência como mostra a tabela 2, observa-se os seguintes custos das horas dos processos, diretamente envolvidos na manufatura das roscas. Os preços das horas, a seguir foram disponibilizados, pelo setor de gerenciamento da empresa, citada neste artigo.


3.2. Processo atual de fresagem de roscas

Antes de usinar a rosca em questão, deve-se aplicar as medidas específicas do eixo sem-fim. Estas medidas, são empregadas no próprio torno CNC, apresentado neste artigo. Depois de efetuadas as medidas, referentes ao sem fim, deve-se inicializar a produção das roscas. Este processo trata-se, de um método de fresagem por ferramenta acionada de perfil único que dura em média 27 minutos de usinagem.

De acordo com Stemmer (1995), o processo de fresagem de roscas, permite fabricar de forma econômica roscas de diversos tipos. Porem este processo apresenta, alto índice de rugosidade na usinagem, pois a máquina não apresenta, uma estrutura rígida e precisa. Em decorrência da usinagem, ser efetuada com um considerável tempo, a máquina acaba, se tornando um gargalo de produção, necessitando efetuar horas extras periodicamente, para produzir a demanda de peças.

Também necessita, afiar a ferramenta de corte a cada 10 peças usinadas, este processo é efetuado, de maneira manual, e não apresenta características geométricas, adequadas para a produção de roscas trapezoidais. Porém esta ferramenta, é desenvolvida na própria empresa, e apresenta baixo custo de produção, em torno de R$ 300,00, por ferramenta, atrelado também, a vantagem, do tempo de vida útil da mesma, que fica em torno de 6 meses, de consumo.

Como este atual processo de usinagem apresenta desconformidade geométrica, se faz necessário, um processo de acabamento nas roscas, pós máquina, este torna-se, um pouco mais demorado, pelo auto índice de rugosidade apresentado.

No processo de produção, de fresagem de roscas, para efetuar a fixação da peça na máquina, necessita-se deixar um sobremetal de acabamento, pois justamente, onde a peça é fixada, apresenta características de vedação do redutor, não podendo ser comprometido, por qualquer desconformidade.

A peça deve voltar ao torno CNC, afim de aplicar esta medida de precisão, encarecendo ainda mais o processo. Para efetuar uma análise, entre os dois processos, a tabela 3 mostra os gastos do atual processo, levando em consideração uma produção de 100 peças por lote.


O processo proposto trata-se, de um método automatizado, que permite efetuar maior precisão de usinagem, qualidade no produto, agilidade, segurança e confiabilidade (Silva, 2002).

Porém, como as roscas helicoidais não apresentam, características geométricas regulares, torna esta usinagem mais complexa, dificultando seu desenvolvimento. Para executar tal processo, necessita-se de mão-de-obra especializada, deixando o processo, com um preço mais elevado, atrelado também, a própria máquina apresentar uma estrutura rígida, com vários componentes eletrônicos, elétricos e mecânicos, com valor agregado considerável. Tornando-se assim um processo mais caro que o atual, necessitando diminuir, consideravelmente o tempo de usinagem da rosca em questão, afim de que o processo proposto, se mantenha com um custo de produção equivalente com o atual.

O sem fim citado neste artigo poderá ser usinado em duas etapas. A primeira deve aplicar a medida do comprimento do mesmo. A segunda etapa, poderá finalizar o processo de usinagem, de forma única. Executando a aplicação das medidas da rosca, o processo de rosqueamento, e o acabamento onde posiciona-se a vedação do sem fim no redutor.

Foi elaborado a programação CNC, com um ciclo do fabricante (G76), afim de facilitar sua execução para o programador, parametrizar um ângulo de corte, afim de evitar esforços de usinagem e com o intuito de diminuir linhas de programação.

Após o desenvolvimento do suporte e do programa, foi usinado no torno CNC, do laboratório de usinagem da Faculdade SATC, corpos de prova, com o intuito, de verificar as características da usinagem e parâmetros de corte, observando, o acabamento superficial dos corpos.

Para calcular o consumo da ferramenta, foi levado em consideração, uma produção de 100 peças semelhantes na empresa em questão. O inserto em questão, possui dois lados de corte, proporcionando maior tempo de vida útil. Em uma produção de 100 peças, consome 50 % da ferramenta, ou seja, somente um lado do incerto. A ferramenta projetada especificamente para o processo de rosqueamento custa R$ 102,00.

Para efetuar a comparação entre os dois processos a tabela 4 mostra os gastos do processo proposto, levando em consideração uma produção de 100 peças por lote. O tempo de usinagem calculado na tabela a seguir é resultado do corpo de prova que atendeu melhor as características de tempo de usinagem. Dados referente ao corpo de prova número (4) que foi possível produzi-lo em 15 minutos.


Resultados e análises

Nesta seção serão comentados e analisados os resultados obtidos com os ensaios de usinagem do processo de rosqueamento CNC.

1. Parâmetros de corte

Com o intuito de proporcionar uma usinagem eficiente pensando em produtividade, custos de produção, menor desgaste da ferramenta e qualidade superficial foram testados alguns parâmetros de corte em quatro corpos de prova. Como mostra a tabela 5.


A seguir a figura 9 que mostra a imagem do primeiro corpo de prova usinado.


Figura 9 - Corpo de prova 1. Fonte: Do autor (2018)

2. Ensaio de rugosidade

A rugosidade das roscas dos corpos de prova, foi medida com o rugosímetro da marca (Mitutoyo), modelo SJ-310 disponibilizado pela Faculdade SATC. Realizou-se três medições no decorrer do comprimento da rosca de cada amostra, que obteve as seguintes médias. Como mostra a tabela 6.


O principal objetivo da análise da rugosidade dos corpos de prova tem-se pela necessidade de comparação entre a qualidade do processo proposto com o atual processo. Deve-se analisar também a rugosidade do acabamento do mesmo para efeito de comparação. Conforme a tabela 7 mostra, a medição da rugosidade média da rosca efetuada pelo processo de fresamento utilizado na situação atual da empresa.


3. Investimento

O investimento é demonstrado a seguir pela tabela 8.


Para analisar a comparação entre os dois processos atual e proposto segue a tabela 9, com as respectivas características que influenciam para a obtenção de um processo otimizado. Deve-se observar que, para a comparação entre os processos foi utilizado o corpo de prova que atendeu as características de tempo e qualidade satisfatórios sendo o corpo de prova número (4).


Com a nova proposta notou-se, uma redução no custo de produção de 12,1%, ou seja, R$ 396,43 de lucro em uma produção, de 100 peças por lote. Observando também, uma redução no tempo de usinagem das roscas de 44,4%. Na produção do sem fim envolvendo todos os processos analisados neste artigo se obteve uma redução de 42,25%. A qualidade da rosca apresentou uma redução na rugosidade de 46,44%.

A estimativa de venda desse redutor específico, de acordo com o departamento comercial da empresa, gira em torno de 100 redutores por mês, ou seja, 1200 redutores por ano. Deve-se ressaltar que, cada modelo deste redutor citado, apresenta um eixo sem fim, com a rosca helicoidal citada neste artigo.

Com todos estes dados levantados, foi possível avaliar o investimento, e quanto tempo o mesmo volta ao investidor. Nas tabelas a seguir, são demonstrados o tempo de retorno do investimento da obtenção do suporte em questão. Dados necessários para o cálculo da viabilidade econômica são mostrados na tabela 10.


Para analisar se o projeto é viável, temos a demonstração na tabela 11, dos valores de investimento e dos valores por período que são o valor da redução total anual diminuído do investimento.


Observa-se perante a tabela 11 que no primeiro ano de implementação se obtém um lucro de R$ 3.258,00. Sendo que no quarto mês de implementação já foi obtido um lucro R$ 1.588,00 capaz de suprir o valor do investimento. O suporte, não sofrendo nenhum tipo de dano quando for utilizado, atrelado também o mesmo possuir uma vida útil prolongada, nos próximos anos será obtido somente lucro.

Conclusão

Após a conclusão deste trabalho, é possível citar algumas considerações a fim de resumir tudo que foi demonstrado durante o desenvolvimento do mesmo.

Com a proposta sugerida bem como a mudança no roteiro de fabricação mostrou-se uma redução nos custos de fabricação de 100 peças por lote em estudo de 12,1%. Levando em consideração que se obteve lucro mesmo o preço da máquina CNC apresentar o dobro do preço do processo atual.

Com a produção executada no torno CNC é fato afirmar que a qualidade e precisão da peça aumentou consideravelmente, atrelado ao teste de rugosidade que se apresentou satisfatório, permitindo ao redutor desempenhar um melhor rendimento pois o atrito entre as partes deve diminuir com a implementação do processo proposto.

É fato afirmar que a geometria do inserto, ângulos de saídas de corte bem projetados obtém-se ótimos resultados de usinagem, atrelado também a importância do ângulo de hélice da rosca, que deve ser transmitido para o suporte evitando esforços de usinagem.

O corpo de prova que melhor atendeu a qualidade superficial foi o corpo número 3 que apresentou uma redução da rugosidade de 60%.

Tendo em vista que o tempo de usinagem foi diminuído quase pela metade do tempo atual, a empresa tem a capacidade de produzir o dobro de peças sem precisar adquirir novos equipamentos.

O aumento do RPM da máquina, diminui o tempo de usinagem consideravelmente. Observa-se a importância dos parâmetros bem calculados na usinagem deixando esta parte do estudo em aberto para possíveis análises, pois dependendo do material do inserto, seu revestimento superficial e análise do mesmo, atrelado também a utilização de fluido de corte específico, pode-se melhorar os parâmetros de corte afim de reduzir o tempo de usinagem.

Coautor

Clauber Roberto Melo Marques

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