Campinas
CURSO DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO
Melhoria do Processo de Usinagem do furo do pino de um
Pistão Automotivo
Marcelo Contrera Lopes
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Campinas
CURSO DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO
Melhoria do Processo de Usinagem do furo do pino de um
Pistão Automotivo
Marcelo Contrera Lopes
Monografia apresentada à disciplina do Trabalho de
Conclusão de Curso, do Curso de Engenharia de
Produção da Universidade São Francisco, sob a
orientação do Prof. Dr. Eduardo José Sartori, como
exigência parcial para conclusão do curso de
graduação.
Orientador: Prof. Dr. Eduardo José Sartori
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Melhoria do Processo de Usinagem do furo do pino em
um Pistão Automotivo
Marcelo Contrera Lopes
Monografia defendida e aprovada em 19 de novembro de 2010 pela Banca
Examinadora assim constituída:
Prof. Dr. Eduardo José Sartori (Orientador)
USF – Universidade São Francisco – Campinas – SP.
Prof. Ms/Dr. Osmar Roberto Bagnato (Membro Interno)
USF – Universidade São Francisco – Campinas – SP.
Prof. Ms/ Emilio Gruneberg Boog (Membro Interno)
USF – Universidade São Francisco – Campinas – SP.
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Não tenhas medo do futuro, já que o tempo está
nas mãos do Criador do céu da terra.
A lâmpada que você leva na mão pra iluminar o
caminho de alguém ilumina você mesmo e o seu
caminho.
(Papa João XXIII)
(Padre Luis Cechinato)
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Agradeço a Deus a oportunidade de me
proporcionar este estudo, que com muito
sacrifício, foi concluído, a minha esposa Ângela
Gebim que sempre me deu forças e estava ao
meu lado, pois muitas vezes estava ausente em
horas de conforto, a minha mãe Maria de Lourdes
que compreendeu minhas necessidades e ao meu
pai Milton Contrera que a todo tempo olhou por
mim.
Sou eternamente grato a todos.
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.Agradecimentos
Agradeço primeiramente ao Professor Eduardo José Sartori, meu orientador,
que acreditou em mim e incentivou-me para a conclusão deste trabalho, face
aos inúmeros percalços do trajeto.
Agradeço também ao Professor Emilio Gruneberg Boog, um companheiro de
percurso e de discussões profícuas, dentro e fora do contexto deste trabalho,
agraciando-me incontáveis vezes com sua paciência, conhecimento e amizade.
Após transpor vários obstáculos, sinto-me gratificado por mais esta conquista.
Quero agradecer aos nossos instrutores pelos conhecimentos passados, a
minha família, pela compreensão de tantas ausências, muitas vezes em horas
de lazer. Agradeço a empresa pela confiança depositada, sabendo que
apenas ultrapassei mais uma etapa em um constante processo de evolução.
Eu agradeço fraternalmente a todos.
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Sumário
Sumário ........................................................................................................................ 7
ABSTRACT ................................................................................................................. 9
1.0 INTRODUÇÃO .................................................................................................... 10
1.1 OBJETIVOS ......................................................................................................... 12
1.2 JUSTIFICATIVA.................................................................................................. 13
1.3 Organização do trabalho .................................................................................... 13
2.0 MELHORIA DO PROCESSO DE USINAGEM DO FURO NO PINO DE UM
PISTÃO AUTOMOTIVO ........................................................................................... 14
3.0 PROCESSO DE USINAGEM DO FURO DO PINO PISTÃO BUCHA ............... 17
4.0 PROCESSO ATUAL DE USINAGEM DE ACABAMENTO NO FURO DO PINO
................................................................................................................................... 18
4.1 DESVANTAGENS DO PROCESSO ATUAL ...................................................... 19
5.0 PROCESSO PROPOSTO DE USINAGEM DO ACABAMENTO NO FURO DO
PINO DO PISTÃO BUCHA ....................................................................................... 21
Eixo porta ferramenta utilizado no processo proposto: ................................................ 21
5.1 VANTAGENS DO PROCESSO PROPOSTO ...................................................... 22
6.0 CUSTO DA IMPLANTAÇÃO ............................................................................. 23
Figura 14: custo atual com ferramentas ....................................................................... 23
Figura 15: custo proposto com ferramentas ................................................................. 24
Figura 16: peças produzidas x custo com ferramentas ................................................. 24
6.3 PERDA COM PRODUTIVIDADE ....................................................................... 26
Figura 19: Quantidade de peças referente a set up das ferramentas .............................. 26
ECONOMIA ANUAL COM PRODUTIVIDADE ...................................................... 26
2.970 PEÇAS
91 % .............................................................................................. 26
7.0 CONSIDERAÇÕES FINAIS ................................................................................ 27
8.0 BIBLIOGRAFIA .................................................................................................. 28
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RESUMO
Esta monografia apresenta a melhoria do processo de usinagem do furo do pino
em um pistão automotivo, motor diesel, cliente Mercedes Benz, em um estudo realizado
na empresa Malhe Metal Leve, localizada no estado de São Paulo, em Mogi Guaçu, na
célula de produção diesel. A análise dos dados consiste na usinagem de acabamento do
furo do pino, parte interna da bucha de bronze, fornecida pré-acabada (importada da
Alemanha) e montada no pistão sobre pressão, através de resfriamento (nitrogênio
líquido) e prensagem. Nesta operação são usinados dois pistões por vez. A máquina que
faz essa operação é uma mandrilhadora modelo FB 82, que executa o acabamento em
furos paralelos, fôrmas e furos ovalizados. Os resultados obtidos através do presente
trabalho foram: melhoria na rugosidade média especificada, ganho com retrabalhos nas
buchas devido a vibração do material, ganho com tempo de troca de ferramenta,
aumento na produtividade e maior estabilização do controle de medidas.
PALAVRAS-CHAVE: Pistão, Rugosidade Média, Troca de Ferramenta, Produtividade
e Controle Dimensional.
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ABSTRACT
This monograph shows the theme the improvement of the plant factory process
of the peg in the automobile piston, from the diesel motor, Mercedes Benz client. As for
the methodology, it’s about a study realized at Mahle Metal Leve industry, located in
Mogi Guaçu, SP, in the diesel production cell. The data analysis consists in the plant of
the peg puncture finishing, the internal part of the bronze filler, provided pre finished
(imported by Germany) and produced in the pressurized piston, through chilling (liquid
nitrogen) and pressed. In this process is a machine model FB82 that makes. The parallel
puncture finishing, shapes and oval punctures. The analyzed study, brings benefits to
this production process of piston, such as the improvement in the medium puckering
specified, earned with the reuses in the fillers because of the material vibration, earned
with the change period of the tools, raising in the productivity and better stabilization of
the gauger’s controls.
KEY WORDS: Piston, Medium Puckering, Tool Exchange, Productivity and
Dimensional Control.
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1.0 INTRODUÇÃO
A empresa Mahle Metal Leve S/A foi fundada em 1920, em Stuttgart,
Alemanha, pelos irmãos Hermann e Ernst Mahle. A Mahle tem uma história marcada
pelo pioneirismo e pela perseverança. Os irmãos Mahle decidiram produzir pistões de
liga leve em série. Esses foram os primeiros pistões fabricados com liga leve, ainda na
década de vinte. Devido a sua curta durabilidade, tinham o uso restrito aos carros de
corrida. No entanto, esse problema é superado e a fábrica passa, logo nos primeiros dois
anos de funcionamento, de 6 para 122 funcionários. Foi assim que, em 1922, a indústria
química Griesheim-Elektron passou a se interessar pela pequena fábrica. A partir dessa
parceria, surge novo nome para a empresa: Leichtmetallwerke GMBH.
Passando por diversas crises que castigavam a economia da época, os empresários
pioneiros passaram a produzir pistões cada vez mais duráveis, silenciosos e eficientes.
Conseguiram aperfeiçoar os processos de usinagem e desenvolver uma arrojada
tecnologia de material de liga, cada vez mais leve e resistente.
Em 1923, são produzidos mais de 30.000 pistões e, em 1924, mais de 80.000.
Atualmente, a produção diária é maior do que a produção anual daquela época. A partir
de outubro de 1924, a empresa passa a se chamar Elektronmetall GMBH, assumindo,
também, a comercialização das ligas especificadas em elétrons da empresa química
Griesheim-Elektron. Em 1925, passa a ser a primeira empresa, na Alemanha, a assumir
a produção de filtros de óleo e ar.
Em 1930, Henry Ford visita a , ainda, pequena companhia que começava a criar
reputação internacional; em 1931, patenteia-se o pistão com porta-anel; ainda em 1931,
a empresa OPEL passa a utilizar pistões de liga leve; isto marcará o final de um ciclo de
10 anos de passagem da utilização de pistões de ferro fundido, para os de liga leve.
No ano de 1949, o Sr. Ernest Mahle estabeleceu-se no Brasil ; a partir de 1951 a
empresa Mahle pôde fornecer know-how para o desenvolvimento da, então, empresa
Metal Leve S/A; essa atividade foi encerrada em 1975.
No ano de 1975, a Mahle adquire o controle acionário da empresa Cima
Componentes Automotivos S.A. e inicia a construção da fábrica de Mogi Guaçu S.P.
Em 1981, é inaugurada a fábrica de pistões de Mogi Guaçu, dando origem à Mahle
Indústria e Comércio Ltda, no mesmo ano é inaugurada a planta da Metalúrgica Mogi
Guaçu Ltda – MMG.
No ano de 1996, a Mahle adquire o controle acionário da empresa Metal Leve S/A
Indústria e Comércio; em 1997 há a aquisição, em conjunto com a Magneti Marelli, da
empresa Cofap – Companhia Fabricadora de Peças (Divisão de Anéis).
No ano de 1998, a empresa Mahle realizou uma joint venture com a empresa
austríaca Miba Sinter Holding GmbH e passa a denominar-se Mahle Metal Leve Miba
Sinterizados Ltda. (Unidade Indaiatuba); no mesmo ano há a criação do novo Centro
Logístico para o mercado de reposição, em Limeira (S.P.).
Neste ano a Metal Leve S/A Indústria e Comércio incorpora a Mahle Pistões Ltda.,
transfere sua sede social para a cidade de Mogi Guaçu e passa a denominar-se Mahle
Metal Leve S/A.
Em 1999 é constituída a Mahle Cofap Anéis S/A. No ano de 2000 inicia-se a
instalação de uma fábrica de filtros na cidade de Mogi Guaçu (Mahle Sistemas de
Filtração Ltda.), que é incorporada pela Mahle Metal Leve S/A, em 2002.
Em 2003, a Mahle MMG Ind. e Com. Ltda (antiga Metalúrgica Mogi Guaçu) é
incorporada pela Mahle Metal Leve S/A e a empresa Mahle Cofap Anéis S/A passa a
denominar-se Mahle Componentes de Motores do Brasil Ltda.
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Nos anos de 2004 e 2005 as empresas que compõem o grupo Mahle continuam a
dedicar-se ao aprimoramento e desenvolvimento de materiais e processos para melhoria
do nível de emissões, economia de combustível, diminuição de ruído e maior
durabilidade das peças nos motores.
Para a Mahle os clientes são tratados como parceiros e o principal objetivo do
grupo é criar as melhores soluções para atender às suas exigências.
Desde sua fundação, a empresa Mahle tem uma preocupação constante com a
qualidade de seus produtos e serviços e conta com um eficiente sistema de controle,
implantado em todas as suas filiais, reconhecido pelas certificações ISO/TS 16949, ISO
9001 e, em fase de implantação em todas a suas unidades brasileiras, a ISO 14001.
Atualmente, a empresa Mahle Metal Leve S/A possui três plantas na cidade de
Mogi Guaçu, Estado de São Paulo, totalizando uma área construída de 85.350,53m2,
possuindo em suas fileiras aproximadamente 4000 colaboradores.
Suas unidades produtivas, no Brasil e ao redor do mundo, utilizam os mais
avançados equipamentos de fundição e técnicas de usinagem.
O grupo Mahle, no Brasil, fabrica pistões, camisas, cilindros, bielas, buchas, anéis
de pistão, bronzinas e subsistemas, eixos de comando de válvula, filtros de combustível,
entre outros. Esses produtos são fornecidos tanto para montadoras como para o mercado
de reposição (carros de passeio, caminhões e tratores).
Seus colaboradores trabalham, juntamente com os clientes, no desenvolvimento de
componentes, para encontrarem soluções eficientes e adequadas às suas aplicações.
Hoje, o principal acionista da Mahle GmbH é a Fundação Mahle, entidade de
utilidade pública que incentiva numerosos projetos na área da educação, do cultivo
biológico e, principalmente, na área da saúde pública.
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1.1 OBJETIVOS
Esta monografia tem por finalidade demonstrar o aproveitamento do processo
atual de usinagem para furo do pino da bucha de bronze, utilizando um porta ferramenta
com apenas uma ferramenta, evitando o acúmulo de cavacos entre elas e demais
problemas relacionados à qualidade do produto, como: visual não conforme,
interferências na rugosidade média especificada em normas da ISO 9000, problemas
com controles dimensionais e rejeição das peças fabricadas, ocasionando interferência
no desempenho produtivo, devido a trocas excessivas de ferramentas.
Desta forma temos um processo que irá minimizar custos devido ao consumo de
ferramentas, com um investimento baixo de implantação, gerando maior produtividade
e lucratividade para a empresa.
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1.2 JUSTIFICATIVA
Devido ao acúmulo de cavacos encontrados nos eixos porta ferramentas,
observa-se que há problemas com a qualidade do acabamento no furo do pino,
ocasionando deficiência na produção devido a paradas para efetuar o controle
dimensional da peça. Desta forma tem se altos custos com troca de ferramentas, perda
de tempo para efetuar a troca de ferramenta, perda na produtividade, desvios da
rugosidade média especificada pela norma ISO 9000, retrabalhos indesejáveis ou até
mesmo ocasionando perda da peça.
1.3 Organização do trabalho
Este trabalho está organizado na seguinte forma:
Capitulo 1: Descrição do produto
Capitulo 2: Rugosidade
Capitulo 3: Tipos de Ferramentas utilizadas
Capitulo 4: Processo de Usinagem do furo do pino pistão bucha
Capitulo 5: Processo atual de usinagem do acabamento no furo do pino
Capitulo 6:Desvantagens do processo atual
Capitulo 7: Processo proposto de usinagem do acabamento no furo do pino
Capitulo 8: Vantagens do processo atual
Capitulo 9: Custo da Implantação
Capitulo 10: Custo com Ferramentas
Capitulo 11: Economia anual com ferramentas
Capitulo 12: Perda com Produtividade
Capitulo 13: Economia anual com Produtividade.
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2.0 MELHORIA DO PROCESSO DE USINAGEM DO FURO NO
PINO DE UM PISTÃO AUTOMOTIVO
2.1 Descrição do produto: Pistão
O pistão é uma peça de forma cilíndrica, geralmente de liga de alumínio ou ferro
fundido, fechada na parte superior e aberta na parte inferior (conforme figura 1),
adaptando-se perfeitamente ao diâmetro do cilindro ou camisa do motor. O pistão tem a
função de transmitir, através de movimentos alternados, movimento para o virabrequim
do motor, por intermédio de pino e biela. O termo pistão é reconhecido pela Associação
Brasileira de Normas Técnicas como “Êmbolo”, sendo constituído de cabeça, saia, furo
para pino e canaletas.
Pistão: liga de
alumínio com
bucha de bronze
Figura 1: Pistão
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2.2 Rugosidade
A rugosidade (erros microgeométricos) é o conjunto de irregularidades, isto é,
pequenas saliências (picos) e reentrâncias (vales) que caracterizam uma superfície.
Essas irregularidades podem ser avaliadas com aparelhos eletrônicos, a exemplo do
rugosímetro. A rugosidade desempenha um papel importante no comportamento dos
componentes mecânicos, influenciando na qualidade de deslizamento; resistência ao
desgaste; possibilidade de ajuste do acoplamento forçado; resistência oferecida pela
superfície ao escoamento de fluidos e lubrificantes; qualidade de aderência que a
estrutura oferece às camadas protetoras; resistência à corrosão e à fadiga; vedação;
aparência.
È de suma importância que o pistão seja sujeito a uma medição periodicamente
durante o turno de trabalho, pois será averiguado se o mesmo se encontra dentro do que
o cliente especificou. Além do inspetor verificar o RA médio (conforme figura 2),
alguns pistões são conferidos o alinhamento do cubo, através do seu paralelismo ou
suas geometrias em modelo de formas. Desta forma o grau de irregularidade da
rugosidade varia de acordo com algumas causas: imperfeições nos mecanismos das
máquinas-ferramenta; vibrações no sistema peça-ferramenta; desgaste das ferramentas;
o próprio método de conformação da peça. No Brasil, os conceitos de rugosidade
superficial são definidos pela norma ABNT NBR 6405-1985.
Figura 2: Rugosidade de um perfil
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2.3 Tipos de Ferramentas utilizadas
Ferramenta de diamante: É um carbono cristalizado formado no interior da terra
em meio a altíssimas temperaturas e pressões, é o material mais duro que existe na
natureza, originário de vulcões, são encontrados em depósitos aluviais ou leitos de rios,
tendo formas, tamanhos e cores variadas.
Diamante Lapidado: Diaform, Fliesen, Fortuna, Landis, Duromêtros (medidores
de dureza). É constituida em uma haste metálica (aço) e um diamante soldado em sua
extremidade.
Condição de trabalho:
Profundidade: 0,032mm por passada
Avanço: 0,03mm a 0,15mm por volta
Refrigeração: abundante
PCD: para usinar materiais não ferrosos (conforme figura 3) tais como:
alumínio, bronze, latão, plásticos, madeira, metal duro e outros mais, quando a
necessidade é bom acabamento e rapidez.
Diamante 8x8 mm
Raio 2,5 mm
PCD RAIO 2,5mm
Diamante8x8mm
Raio 2,5 mm
Figura 3: Suporte ferramentas
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3.0 PROCESSO DE USINAGEM DO FURO DO PINO PISTÃO BUCHA
3.1 Operação: Acabamento do furo do pino
Consiste na usinagem de acabamento do furo do pino, parte interna da bucha de
bronze, fornecida pré-acabada (importada da Alemanha) e montada no pistão sobre
pressão, através de resfriamento (nitrogênio líquido) e prensagem. Nesta operação são
usinados dois pistões por vez (conforme figura 4). A máquina que faz essa operação é
uma mandrilhadora modelo FB 82, que executa o acabamento em furos paralelos,
fôrmas e furos ovalizados. O avanço e retorno do carro são controlados por módulo
CNC, que por sua vez, regula o Ra (rugosidade média) do furo do pino.
Figura 4: Pistão e bucha de bronze antes do processo.
A bucha de bronze é aplicada em pistões com pressão superficial no furo do pino
de 70N/mm² até 80N/mm², acima deste valor usam-se pistões em aço. Para os pistões
128L111A2, 128L118A2 e 128L120A2 a pressão é de 70N/mm². O processo adotado
pela MAHLE, para contração da bucha de bronze, devido à interferência necessária para
fixar a bucha é:
Ajuste: A interferência é de 103 a 130 milésimos a frio.
Fornecedor: Wieland/Alemanha
Hidroveda/Brasil (em desenvolvimento)
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4.0 PROCESSO ATUAL DE USINAGEM DE ACABAMENTO NO FURO DO
PINO
No processo atual de usinagem, na bucha de bronze do furo do pino, são
utilizados dois eixos porta- ferramentas (conforme figura 5), com duas ferramentas
cada, sendo que em que cada eixo é usado um PCD (diamante poli cristalino) 8x8 mm e
um diamante 8x8 mm, de raio 2,5 mm. As ferramentas usadas têm sua eficiência para
PCD de 20.000 peças e para o diamante, rendimento de 30.000 peças. No processo atual
utilizam-se duas ferramentas, sendo que a ferramenta PCD realiza o desbaste e a
ferramenta de diamante executa o acabamento no furo do pino. Neste processo há o
acúmulo de cavacos de bronze, em forma de fitas, entre as ferramentas de usinagem.
Eixo porta
ferramenta
Acúmulo de
cavacos entre as
ferramentas
Figura 5: máquina efetuando a operação de acabamento do furo
do pino.
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4.1 DESVANTAGENS DO PROCESSO ATUAL
1-Rugosidade média (Ra) próximos dos limites especificados;
Figura 6: rugosidade média próximo dos limites máximos, escala 0,002 µ
2-Surgimento de riscos nos furos do pino, motivando retrabalho.
Marcas de vibração no acabamento do furo do pino;
Figura 7: Bucha de bronze com defeito visual
3-Constantes trocas de ferramentas;
4-Perda de produção, no tempo gasto, para trocar ferramentas;
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5-Constantes variações no diâmetro do furo do pino.
Aparelho
milipneumático
Espiga pneumática de
medição
Figura 8: Aparelho de medição do furo do pino.
Figura 9: Aparelho de medição do furo do pino, demonstrando
variações de medidas.
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5.0 PROCESSO PROPOSTO DE USINAGEM DO ACABAMENTO NO FURO
DO PINO DO PISTÃO BUCHA
No processo proposto, elimina-se a ferramenta PCD (diamante policristalino),
responsável pelo desbaste na bucha de bronze do furo do pino, sendo que o desbaste e o
acabamento no processo de usinagem serão executados pela mesma ferramenta de
diamante 8X8 mm, com raio 2,5 mm (conforme figura 10), já existente no processo
atual. No processo proposto, não haverá o acúmulo de cavacos em forma de fitas entre
as ferramentas (conforme figura 11); este cavaco ficará acumulado no final do eixo
porta-ferramenta, até a limpeza por parte do operador da máquina, não interferindo no
processo de usinagem e não provocando danos ao furo do pino, além de reduzir o
desgaste da ferramenta.
Eixo porta ferramenta utilizado no processo proposto:
Diamante 8x8mm
Raio 2,5mm
Figura 10: Eixo porta ferramentas.
Figura 11: Eixo porta ferramentas com menos cavacos.
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5.1 VANTAGENS DO PROCESSO PROPOSTO
1-Melhoria na rugosidade média (Ra), sendo mantida na média das especificações;
Figura 12: Rugosidade média dentro do especificado, escala 0,002 µ
2-Eliminação de retrabalho nos furos dos pinos;
3-Redução na troca de ferramentas;
4-Aumento na produtividade, com redução de troca de ferramentas;
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5-Eliminação da variação do diâmetro do furo do pino.
Figura 13: Medidas Constantes no cubo.
6.0 CUSTO DA IMPLANTAÇÃO
Foi apenas o gasto homem/hora e o tempo de avaliação dos resultados, gerando um
investimento para a empresa de aproximadamente R$ 1.812,00.
6.1 CUSTO COM FERRAMENTAS
Figura 14: custo atual com ferramentas
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Figura 15: custo proposto com ferramentas
6.2 ECONOMIA ANUAL COM FERRAMENTA
Figura 16: peças produzidas x custo com ferramentas
ECONOMIA ANUAL COM FERRAMENTAS
R$ 9.448,20
84 %
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Figura 17: Quantidade Ferramentas Utilizadas
Figura 18: Quantidade horas com Troca de Ferramenta
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6.3 PERDA COM PRODUTIVIDADE
Figura 19: Quantidade de peças referente a set up das ferramentas
ECONOMIA ANUAL COM PRODUTIVIDADE
2.970 PEÇAS
91 %
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7.0 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Nesta monografia, verifica-se um processo que atinge diretamente na qualidade
do produto, relacionando custo com ferramentas e produtividade, devido ao excesso de
cavacos entre ferramentas no suporte-ferramenta utilizado. No processo proposto temos
a diminuição de uma das ferramentas no mesmo suporte, gerando investimento baixo de
implantação obtendo uma economia anual de R$ 9.448,20 com ferramentas e um ganho
anual com produtividade de 2.970 unidades.
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8.0 BIBLIOGRAFIA
INDÚSTRIAS Anuário das. Federação das Indústrias do Estado de São Paulo,
Centro das Indústrias do Estado de São Paulo 1991 .
CUNHA Salles Lauro, Cravenco Padovani Marcelo. Manual pratico do
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Informativo boletim. Por Instituto Brasileiro de Bibliografia e Documentação. 1 e
2 vol. 1995.
HEWITT Paulo G. Física Conceitual. 9 ed. 686 pag: 1998.
Maquinas.Manual.Machinetools24.7.ModeloFB100.http://www.machinetools247
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Mecânica Jornal Brasileiro. Sociedade Brasileira de Mecânica. 28 vol. 3 ed. 256
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CHOLLET H. M. Curso Pratico e Profissional para Mecânicos de Automóveis. 1
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