6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO
6th BRAZILIAN CONFERENCE ON MANUFACTURING ENGINEERING
11 a 15 de abril de 2011 – Caxias do Sul – RS - Brasil
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April 11 to 15 , 2011 – Caxias do Sul – RS – Brazil
PROJETO DE PRODUTO: DESENVOLVIMENTO DE UM EQUIPAMENTO
PARA EFETUAR O CORTE DE BORDAS DE TAMPOS
Cristiano José Scheuer, [email protected]
1
Universidade Federal do Paraná – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Bloco IV do Setor de
Tecnologia, Centro Politécnico, Bairro Jardim das Américas, Caixa postal 19011, CEP 81531-980, Curitiba, PR
Abstract: O retrabalho da superfície cilíndrica de tampos abaulados de alguns equipamentos é, geralmente, realizado
em condições ergonomicamente inadequadas e o tempo gasto no processo de corte é demasiadamente elevado. Dessa
forma, o desenvolvimento de um equipamento que efetue a correção dos defeitos dimensionais e de planicidade dos
tampos, permitiria uma melhoria significativa no ciclo produtivo desses componentes, reduzindo, consideravelmente,
custos e tempo do processo. Inserido nesse contexto, este trabalho descreve o desenvolvimento do projeto de uma
máquina equipada com um mecanismo auxiliar de corte, concebida para efetuar a função descrita. Para sistematizar e
simplificar o processo de projeto do equipamento adotou-se uma metodologia de desenvolvimento, a qual norteou o
sequenciamento das atividades vinculadas ao projeto do referido produto. Como resultado, obteve-se um equipamento
que contempla os requisitos apontados pelos seus usuários.
Palavras-chave: Tampo, processos de corte, calotas semi-esféricas, projeto de máquina
1. INTRODUÇÃO
O crescimento populacional vem sendo discutido há décadas e, nos últimos anos, tem atingido níveis demográficos
preocupantes, uma vez que, juntamente com o aumento da população, também se teve aumento do consumo de energia,
e muitos dos processos industriais que hoje produzem ganhos degradam o ambiente prejudicando o capital ecológico do
qual depende a humanidade.
O tratamento da água e a reciclagem de resíduos industriais bem como o controle de processos a fim de se ter
menor desperdício de energia e matérias primas são alguns dos fatores que contribuem para o desenvolvimento
tecnológico ecologicamente correto. Exemplo disso é que vem ocorrendo com a indústria de alimentos, mais
especificamente a frigorífica, onde, nas últimas décadas, cresceu muito o número de empresas do ramo que passaram a
processar os subprodutos e/ou resíduos resultantes dos abates, evitando o desperdício e a contaminação do meio
ambiente. Esses materiais, após sofrerem o processo de digestão, servirão como matéria prima para a produção de sebo
ou gordura animal e farinhas de carne e ossos.
Segundo Barros (2007), o processo de digestão consiste basicamente no rompimento dos tecidos cárneos por meio
de energia térmica e pressão. Para isso, são necessários diversos equipamentos, dentre estes, citam-se: moegas para
recepção de materiais, digestor, tanque para armazenamento, blow tank, etc., os quais integram uma planta frigorífica.
Alguns desses equipamentos, como os tanques, blow tanks e digestores, possuem nas extremidades de seus corpos
cilíndricos, tampas de fechamento com formato semelhante a uma semi-esfera. Essas tampas passam por um processo
de conformação através do qual atingem o formato ideal, ou o mínimo necessário especificado no projeto do
equipamento, para que seja garantida a montagem correta nos processos subsequentes. Entretanto, em alguns casos, o
componente resultante do processo de conformação não apresenta o acabamento desejado, sendo necessário seu
retrabalho.
Diante desse cenário, observou-se a oportunidade de realização de um trabalho, com o objetivo de desenvolver um
equipamento que efetue a correção dos defeitos dimensionais, e de planicidade da borda das tampas, uma vez que, na
maioria dos casos, esse serviço é realizado de forma manual em condições ergonomicamente desfavoráveis. Dessa
maneira, espera-se contribuir com o processo produtivo desses componentes, de forma a diminuir os custos e o tempo
de seu retrabalho.
Para o desenvolvimento das atividades que compõe o escopo do projeto, adotou-se uma metodologia de projeto de
forma que essa norteasse o sequenciamento das tarefas envolvidas na atividade projetual, visando facilitar a abordagem
das informações vinculadas ao projeto.
2. REFERENCIAL TEÓRICO
Considerando a complexidade envolvida na atividade projetual em função das variáveis que compõe o processo de
projeto, faz-se necessária a adoção de um modelo de referência de modo a sintetizar e simplificar as atividades
vinculadas ao projeto. Outrossim, antes de iniciar o desenvolvimento do equipamento, é necessário realizar uma
©
Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas 2011
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revisão sobre os temas que serão abordados no trabalho visando um melhor entendimento destes. Dessa forma, nesse
tópico é realizada uma explanação a cerca da metodologia de projeto utilizada, assim como é feito, também, uma breve
descrição sobre o processo óxicorte e um detalhamento à respeito dos tampos.
2.1. Metodologia de Projeto de Produto
A tarefa de projetar produtos não pode mais ser baseada na intuição, dependente apenas de ensaio, erros ou de
empirismo; deve estar fundamentada, isto sim, na aplicação de métodos sistemáticos, com sólido embasamento
científico, para ter asseguradas mais possibilidades de sucesso, conforme colocado por Fiod apud Brasil, 1997.
Atualmente, existem diversas metodologias propostas, em diferentes níveis de detalhamento e especificidade, com
a finalidade de auxiliar o profissional de projeto durante o processo de projeto. A adoção de uma dessas metodologias
depende basicamente do tipo de trabalho desenvolvido, do seu nível de complexidade e de uma escolha pessoal do
projetista pelo processo de trabalho mais adequado às suas necessidades.
Para o desenvolvimento desse projeto utilizou-se como metodologia o MR-PDMA (Modelo de Referência para o
Processo de Desenvolvimento de Máquinas Agrícolas, Romano 2003), o qual é baseado na metodologia desenvolvida
por Pahl & Beitz (1988), que reflete uma linha de pensamento muito difundida na Alemanha na área de
desenvolvimento de produto. Em poucas palavras, o MR-PDMA corresponde a uma sintetização do processo de
projeto, com orientação do desenvolvimento das tarefas demandadas, em diversas fases, as quais conduzem à
elaboração progressiva do produto, desde a idéia inicial até a definição completa das especificações e de suas
características, culminando com a fabricação e lançamento do produto no mercado. Apesar de constituir um modelo
criado, a princípio, especificamente para o segmento de máquinas agrícolas, a referida metodologia foi transcrita
posteriormente por Back et al. (2008) com a denominação PRODIP (Modelo de Processo de Desenvolvimento
Integrado de Produto), na qual os autores validam a sua adoção para o projeto de produtos genéricos.
Na metodologia de projeto proposta por Romano o processo de projeto é dividido em três macrofases,
correspondentes, em ordem cronológica à: planejamento, projetação e implementação (Fig. (1)). As três macrofases, por
sua vez, são decompostas, ainda, em oito fases, sendo que ao final de cada fase há uma avaliação do resultado obtido,
autorizando a passagem para a etapa seguinte. Assim, a macrofase de planejamento é composta por apenas uma fase, o
planejamento do projeto, cuja principal saída é o plano do projeto. A projetação é formada por quatro fases: projeto
informacional, projeto conceitual, projeto preliminar e projeto detalhado. Para estas fases as saídas esperadas são
respectivamente: especificações de projeto, concepção do equipamento, viabilidade econômica e a solicitação de
investimentos. A implementação compõe-se em três fases: preparação da produção, lançamento e validação. Na
preparação da produção a principal saída é a liberação do produto para a produção, logo a seguir, tem-se a fase de
lançamento, na qual objetiva-se a liberação do lote inicial, por último está a fase de validação que tem como saída a
validação do projeto e conseqüente encerramento do mesmo.
Figura 1. Representação simplificada do Modelo de Referência para o Processo de Desenvolvimento de
Máquinas Agrícolas – MR-PDMA. (Romano, 2003)
Para a realização deste projeto fez-se necessária somente a aplicação da macrofase de projetação do MR-PDMA,
uma vez que, as saídas referentes às macrofases de planejamento e implementação não eram necessárias, pois se trata de
um produto definido previamente, constituindo um equipamento que não será produzido em série, sem a intenção de
comercializá-lo.
2.2. Processo de Corte por Oxicorte
O processo de oxicorte é bastante versátil, com diversas aplicações industriais tanto na fabricação quanto na
montagem e desmontagem de estruturas ou peças metálicas. Através dele, podem-se cortar chapas finas e grossas de até
1 metro de espessura, manual ou mecanicamente, efetuando cortes retos, curvilíneos ou múltiplos em aço carbono e de
baixa liga (Walmar Ingeniería).
O corte por gás ou oxicorte é definido por Marques (2005), como um processo no qual o corte do metal é obtido
pela reação do oxigênio puro (99,5% de pureza ou mais) com o metal, a alta temperatura. O aquecimento do material é
feito por um gás combustível qualquer (acetileno, hidrogênio, propano, butano ou GLP), cujo efeito é produzir uma pré-
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chama até uma temperatura chamada “temperatura de ignição” que é a temperatura em que ocorre a reação do metal
com o oxigênio, a oxidação.
O princípio de operação é baseado no aquecimento localizado feito com um maçarico especial de corte. Segundo
Ramalho (2008) ao se atingir a temperatura de ignição injeta-se oxigênio através do orifício central do bico de corte
fixado no maçarico. Nesta temperatura, o calor fornecido pela reação é suficiente para liquefazer o óxido formado e
realimentar a reação, desde que temperatura de início de oxidação seja inferior à temperatura de fusão do metal. O
óxido no estado líquido escoa, expulso pelo jato de oxigênio, permitindo o contato do ferro devidamente aquecido com
O2 puro, o que garante a continuidade do processo.
Os consumíveis do processo oxicorte são o oxigênio e os gases combustíveis e, às vezes, os fluxos e pós utilizados
para o corte de metais em que o corte convencional não pode ser efetuado. Dentre os gases combustíveis, o acetileno é o
mais usado, mas para algumas aplicações especiais como cortes longos, o butano e o propano podem apresentar
vantagens.
Conforme menção feita anteriormente, utilizar-se-á o processo oxicorte em função, principalmente, da
implementação deste ser menos custosa, com equipamentos mais simples, apresentando maior facilidade de treinamento
do operador, conforme colocado por Ramalho (2008).
2.3. Estudo dos Tampos
2.3.1. Processo de Fabricação (Estudo de Caso)
Para a obtenção das peças é feito, primeiramente, a planificação da calota para obter-se o tamanho do disco que
deverá ser cortado de uma chapa plana por oxicorte. Posteriormente, a peça é conformada mecanicamente a frio, num
processo contínuo onde, a conformação é realizada por duas esferas que atuam sobre as superfícies da chapa,
promovendo o giro e fazendo com que ocorra a deformação da mesma, transformando-a em uma peça tridimensional.
Realizada a operação de conformação, parte-se para as operações de acabamento e de preparação para fixação no corpo
cilíndrico do equipamento ao qual faz parte. Estas operações consistem em: a) corte do perfil cilíndrico para regularizar
a superfície (Fig. (2a)); b) corte do chanfro (preparação para a solda). (Fig. (2b)); c) corte do furo central (quando
necessário). (Fig. (2Figura 2c)); d) acabamento final em esmerilhadeiras. (Fig. (2d)).
Figura 2. Ilustração das operações de corte do perfil cilíndrico (a), chanfro (b), furo central (c) e acabamento (d).
Essas etapas foram acompanhadas durante o corte de um tampo com 1650 milímetros de diâmetro fabricado em
chapa SAE 1020 com 19,05 milímetros (¾’’) de espessura. O tempo de cada etapa e o de todo processo, bem como o
tempo gasto na centragem e o tempo perdido ao longo das operações estão relacionados na Tab. (1).
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Tabela 1. Tempo gasto por etapa no processo de corte
Etapas
Centragem e posicionamento inicial
Corte do perfil cilíndrico (90°)
Acabamento parcial
Corte com chanfro (45°)
Posicionamento e centragem para corte do furo
Corte do furo central
Acabamento final
Tempo ocioso (troca de ferramentas, paradas, etc.)
TOTAL:
Tempo Gasto (minutos)
20
23
6
26
10
3
40
45
173
O tempo total de trabalho no tampo chegou há aproximadamente 3 horas. O principal objetivo da construção de um
mecanismo de corte automatizado é reduzir o tempo de trabalho da peça e fazer com que o operário tenha melhores
condições durante a execução da tarefa.
2.3.2. Configurações Gerais dos Tampos
A grande maioria das calotas sobre as quais este estudo está focado é constituída de aço SAE 1020. Existem ainda
peças fabricadas em aço inox AISI 304. Estas peças retornam do processo de conformação com uma marcação de
centro, um furo com cerca 45 milímetros de diâmetro feito exatamente no centro da superfície da calota que poderá ser
ampliado ou não para cerca de 220 milímetros dependendo da necessidade. Seus diâmetros e espessuras variam
conforme as dimensões e a pressão de trabalho do equipamento que pertencem. No geral, elas têm aproximadamente
1650 milímetros de diâmetro externo com espessura de 19,05 milímetros (¾’’) e massa na faixa de 500 Kg.
Alguns tampos são soldados diretamente no corpo do equipamento e necessitam chanfro em um ângulo de 45° para
deposição do material da solda, em outros são soldadas flanges à 90° para serem posteriormente parafusados, também
conforme o tipo de equipamento e projeto, como mostra a Fig. (3).
Figura 3. Exemplos de tampos
É importante salientar ainda que as irregularidades de superfície estão apenas na parte cilíndrica e não na região
com curvatura. Os dois principais erros presentes são o de planicidade da borda cilíndrica, e o de acabamento das
bordas, ambos decorrentes do processo de conformação. Apesar disso, a cilindricidade desta parte da peça é considerada
aceitável, ainda que suas medidas variem entre apenas 10 e 50 mm.
Tendo em vista o exposto, justifica-se a realização desse trabalho pela possibilidade, vislumbrada, de reduzir o
tempo de processo e, conseqüentemente, seu custo. Dessa forma, o tópico seguinte é realizado o detalhamento da
aplicação da metodologia adotada ao desenvolvimento do equipamento.
3. DESENVOLVIMENTO DO PROJETO
Por se tratar do projeto de um equipamento de adaptação de um processo de corte bastante específico de aplicação
industrial, foi difícil obter informações ao se realizar uma pesquisa sobre os produtos existentes no mercado com tal
finalidade. Por esta razão, o desenvolvimento do projeto será voltado para a escolha da solução mais adequada as
condições específicas da indústria e que atendam aos principais requisitos definidos por seus usuários.
Conforme explanado na seção 2.1, para a elaboração do projeto de um equipamento é necessária a adoção de uma
metodologia, uma vez que, essa auxilia no seu desenvolvimento, dando as coordenadas para a execução das atividades
durante o processo. Nesse contexto, essa seção aborda os aspectos referentes a aplicação do MR-PDMA às atividades
de projeto do equipamento, descrevendo as atividades realizadas em cada uma das fases que constituem a metodologia
utilizada.
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3.1. Projeto Informacional
Na fase de Projeto Informacional, buscou-se o levantamento de informações, junto aos usuários do equipamento,
para definir as especificações do projeto deste. A partir das informações coletadas, foram enumerados os requisitos
básicos, técnicos e de atratividade da máquina a projetar. Após, com os dados coletados, buscou-se a sua classificação
em necessidades e vontades. Em seguida, elaborou-se a lista de requisitos visando melhor detalhamento das
especificações do produto.
3.2. Projeto Conceitual
Em seguida, na fase de Projeto Conceitual, foram feitas a identificação e abstração dos problemas essenciais, com
posterior definição das funções globais e subfunções, seguidas pela elaboração da à árvore de funções do equipamento.
A partir desta, foram ordenados, combinados e selecionados os princípios de soluções para as subfunções do
equipamento e posterior definição da concepção da máquina.
3.3. Projeto Preliminar
Na fase de Projeto Preliminar foi elaborada a arquitetura do equipamento, fazendo sua árvore genealógica.
Também, foi nessa etapa que foram feitos o detalhamento dos conjuntos, subconjuntos e peças que o compõem,
especificação, dimensionamento e seleção de materiais para os seus componentes. Também, é nessa fase que foi
elaborada a lista de peça que abrange as seguintes informações: peso e a estimativa de custo da máquina.
3.4. Projeto Detalhado
A quarta, e última, fase do MR-PDMA, compreendeu a elaboração do plano de manufatura, assim como, a
determinação das especificações técnicas acerca da utilização da máquina.
4. RESULTADOS OBTIDOS
A adoção do MR-PDMA permitiu um maior cumprimento no que tange aos requisitos estabelecidos pelos usuários
do equipamento, obtendo uma configuração que atende as necessidades estipuladas por eles para a realização do
trabalho de corte, e supra as limitações apresentadas pelo processo realizado manualmente.
Dessa forma, o equipamento desenvolvido (Fig. (4)) é composto por quatro conjuntos, a saber: conjunto do corpo e
estrutura (G1), conjunto do cone e peças móveis (G2), pelo conjunto do suporte para oxicorte (G3), e conjunto de
fixação e proteção do acionamento (G4), e respectivos subconjuntos e componentes.
Tampo
G2
G1
G3
G4
Figura 4. Concepção de equipamento gerada
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A Tabela 2 apresenta a codificação das peças que compõem o equipamento desenvolvido (conjuntos, subconjunto e
componentes) assim como a quantidade de cada uma delas e seus respectivos nomes.
Tabela 2. Lista de peças que compõem o equipamento
Relatório de Desenho
Conjunto Geral (E)
Conjunto do Corpo e
Estrutura (G1)
Conjunto do Cone e Peças
Móveis (G2)
Conjunto do Suporte para
Oxicorte (G3)
Conjunto de Fixação e
Proteção do Acionamento
(G4)
Equipamento: Máquina para correção de bordas de tampos
Código
Nome
Quantidade
01.00.00.00
Máq. de corte de bordas de tampos (E)
1
01.01.01.00
Subconjutno Estrutural (G11)
1
01.01.01.01
Disco Interm. de Ligação (T1)
1
01.01.01.02
Fecham. Cilindro Inferior (T2)
2
01.01.01.03
Caixa para Rolam. Radial (T3)
2
01.01.01.04
Cilindro Inferior (T4)
1
01.01.01.05
Flange Cilindro Inferior (T5)
1
01.01.01.06
Pés (Gerdau) (T6)
3
01.01.01.07
Base (T7)
1
01.02.00.00
Conjunto do Cone (peças móveis) (G2)
1
01.02.00.01
Eixo Roscado (T8)
1
01.02.00.02
Flange do Eixo Roscado (T9)
1
01.02.00.03
Disco do Cone (T10)
1
01.02.00.04
Cone (T11)
1
01.02.00.05
Flange Cilindro Superior (T12)
1
01.02.00.06
Fechamento Cilindro Superior (T13)
1
01.02.00.07
Caixa Rolamento Axial (T14)
1
01.02.00.08
Eixo (T15)
1
01.02.00.09
Luva de Transmissão (T16)
1
01.03.00.00
Conjunto Suporte do Oxicorte (G3)
1
01.03.00.01
Base Fixação Oxicorte (T17)
1
01.03.00.02
Tiras de Apoio (T18)
2
01.03.00.03
Base Deslizante (T19)
1
01.03.00.04
Perfil "C" (T20)
2
01.03.00.05
Chapa Superior de Apoio (T21)
1
01.03.00.06
Suporte Fixação Oxicorte (T22)
1
01.03.00.07
Pino (T23)
1
01.03.00.08
Flange de Fixação do Oxicorte (T24)
1
01.04.00.00
Conj. Proteção e Fixação do Motor (G4)
1
01.04.00.01
Base do Motor (T25)
1
01.04.00.02
Base do Redutor (T26)
1
01.04.00.03
Chapa Lado do Motor (T27)
1
01.04.00.04
Chapa Lado do Redutor (T28)
1
01.04.00.05
Reforço (T29)
4
01.04.00.06
Tampa do Protetor (T30)
2
01.04.00.07
Proteção Cilindro (fêmea) (T31)
1
01.04.00.08
Proteção Cilindro (macho) (T32)
1
A forma final do equipamento desenvolvido é apresentada pela Fig. (5). A máquina concebida apresenta
configuração que permite a realização do corte em ângulos diversos através da regulagem angular do
maçarico de oxicorte. O conjunto G3 permite a regulagem do maçarico em diferentes alturas e diferentes
distâncias em relação ao tampo (considerando uma analogia com o sistema cartesiano, seriam as direções x e
y, onde x representa a distância em relação ao tampo, e y a altura), permitindo a realização tanto do corte do
perfil cilíndrico e chanfro, como também, do furo central. A Fig. (5) retrata, também, o detalhe da estrutura
do motor, a vista explodida da montagem dos componentes do conjunto do cone e do conjunto do corpo, e a
vista em corte dos componentes do conjunto do cone.
Ao projetar, e dimensionar, o equipamento desenvolvido nesse trabalho, sempre se teve em mente a
possibilidade de construção da máquina e por isso a preocupação com desenhos técnicos, custo de
componentes e materiais a serem comprados, e o correto dimensionamento de seus conjuntos. Por se tratar
de uma máquina apenas, que não terá sua produção seriada, e para que a vida útil dela seja prolongada,
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algumas vezes no decorrer do projeto se optou por superdimensionar alguns componentes, modificando um
pouco o esboço da primeira concepção.
Figura 5. Configuração final do equipamento desenvolvido para realizar o corte de bordas de tampos
4.1. Dimensionamento dos componentes estruturais do equipamento
Todo o dimensionamento e detalhamento dos componentes que compõe o equipamento foram realizados para o caso
crítico em que a máquina fará o corte do maior e mais pesado tampo existente. Dessa forma, efetuaram-se os cálculos:
para verificar a potência necessária para girar o tampo; pés da estrutura de fixação; eixo de acionamento da máquina;
rolamentos; disco intermediário de ligação e dimensionamento de cordões solda.
O procedimento utilizado para o cálculo da potência necessária para girar o tampo e, conseqüentemente, o torque
necessário, é o definido por Provenza (1989) e Shigley (2005) através da variação da energia cinética aplicado ao
movimento circular, conforme Eq (1), Eq (2) e Eq (3). Como a máquina partirá do repouso o valor inicial da velocidade
angular é zero e seu máximo é referente ao corte do furo e vale 0,5 rpm (0,0523 rad/s) que deverá ser atingido num
intervalo de tempo (t) de 1 segundo. Através dos valores encontrados pela aplicação das equações, determinaram-se os
parâmetros necessários para a seleção do motor, sendo que se optou por adotar um motor elétrico de corrente contínua
em função da baixa rotação necessária (o modelo adotado já apresenta uma redução em seu conjunto). Assim, o motor
selecionado é o mesmo usado no limpador de pára-brisas dianteiro de alguns veículos Mercedes Benz, é fabricado pela
Bosh e tem código F 006 WM0 308, CEP 24 Volts que fornece um torque nominal de 7,5 N.m a 28 rpm.
∆𝑇𝑐 =
𝐽 𝑥 ∆𝑤²
𝑃𝑜𝑡 =
∆𝑇𝑐
2
𝑡
𝑀𝑡 = 𝐹𝑛 𝑅𝑜
=
𝐽 𝑥 (𝑤 2 −𝑤 1 )
2
(1)
(2)
(3)
Já os pés da estrutura de fixação serão soldados na chapa base e no suporte de ligação do eixo ao tronco de cone,
segundo um ângulo de 60° com a vertical por que para uma mesma espessura, a diminuição deste ângulo aumenta a
flexão e as chances de ruptura na peça. O seu dimensionamento e verificação de resistência a carga aplicada foi feito
pelas Eq (4), Eq (5) e Eq (6), relacionadas à flexão, compressão e flambagem presentes em Hibbeler (2004) e em Beer
(1989).
𝜎𝑡 =
𝜎𝑐 =
𝑃𝑐𝑟 =
𝑀𝑐
(4)
𝐼
𝑄
(5)
𝐴𝑐
𝜋²𝐸𝑙𝑚
𝐿²
(6)
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O valor da carga total é de 960 Kgf (calculado com ajuda do software SolidWorks em propriedades de massa para o
cone, tampo e cilindro), de modo que o valor de (F) é este valor divido pelo número de pés existentes na estrutura,
assim, F = 960/3 = 320 kgf, ou 3,14 kN. Aplicando a equação do momento na condição de equilíbrio em torno do eixo
neutro, temos que o momento M = 2,311kN.m
O Perfil U selecionado no catálogo da Gerdau é constituído de aço ASTM A 36 com tensão máxima de escoamento
à flexão e à compressão (σmáx) igual a 250 MPa, módulo de elasticidade (E) igual a 200 GPa (dados de Beer). Este perfil
tem altura de 101,6 milímetros e largura 40,1 milímetros com alma de 4,57 milímetros, área (Ac) igual a 10,10 x 10-4
momento de inércia (I) igual a 159,5 x 10-8 em relação ao seu eixo de simetria e tem o menor momento de inércia (Im)
no valor de 13,10 x 10-8 e distância do seu centróide a fibra mais solicitada de 11,6 milímetros (dados da Gerdau). Dessa
maneira, através da equação Eq. (4), obteve-se o valor da tensão (σ) 16,81 MPa. Como a tensão encontrada é menor que
a tensão máxima admitida pelo material, este perfil resiste ao carregamento vertical. Para verificação da compressão
utilizou-se a Eq. (5), sendo Q= 3,14 kN x cos60º = 1570 N; e para flambagem a Eq. (6), em que L = 0,850 m, obtendo
os valores: σc = 1,55 MPa < σmáx, e Pcr = 0,357 MN. Quanto à compressão, o valor da tensão existente é muito menor do
que o limite de escoamento de compressão do material, logo a peça é resistente quanto a compressão. Para a flambagem
seria preciso uma força de 357 kN para a peça flambar. Como a força existente máxima é de 3,14 kN a peça não irá
flambar.
O cálculo do eixo de acionamento da máquina foi realizado em função do momento torçor aplicado uma vez que
este é a principal solicitação de esforços presente. O formulário de cálculo foi retirado de Hibbeler (2004), sendo
realizado através das Eq. (7) e Eq. (8).
𝜏𝑚 á𝑥 =
𝐽=
𝜋
2
𝑇.𝑐
(7)
𝐽
𝑐4
(8)
O material de fabricação do eixo é aço SAE 1020 de modo que a tensão admissível de cisalhamento (máx) para
carregamento estático vale 98,1 MPa (10 Kg/mm2). O torque (T) anteriormente calculado é de 6,4 N.m, de modo que:
98,1 𝑥 106 =
6,4𝑐
𝜋 4
𝑐
2
→𝑐=
3
4,5 𝑥 10−8 = 3,46 𝑥 10−3 𝑚 = 3,46 𝑚𝑚 → 𝑙𝑜𝑔𝑜, 𝑑𝑒𝑖𝑥𝑜 = 6,92 𝑚𝑚
Como se trata de uma máquina robusta em que se tem a carga aplicada em uma pequena área e para que o eixo não
seja uma estrutura muito delgada ele terá 40 mm de diâmetro e 470 mm de comprimento. Em uma extremidade o eixo é
escalonado e tem diâmetro de 50 mm sendo que á 40 mm desta têm-se o rebaixo para os 40 mm, enquanto que na outra
extremidade se tem um entalhe para chaveta de 12 por 8 mm por 20 mm de comprimento com ajuste por folga (de
+ 0,043 mm e - 0 mm) que faz o posicionamento na luva de transmissão, dimensionados segundo Provenza (1989).
Os rolamentos foram selecionados pelo catálogo SKF de rolamentos a partir do diâmetro nominal do eixo e da carga
estática ao qual estão submetidos, uma vez que a rotação é baixa. Como a máquina dificilmente passará por manutenção
referente a seus elementos rolantes e as condições do ambiente de trabalho são prejudiciais a vida do componente
(poeira, sujeira, etc.), os rolamentos serão blindados. O rolamento axial está submetido a uma carga vertical máxima de
9,41 kN e tem diâmetro interno de 50 mm. Dessa forma o componente selecionado foi o de código 51110 que resiste a
75 kN e satisfaz as demais condições. Ele tem ajuste por interferência k6 com o eixo e N6 com a caixa de seu
alojamento. Os rolamentos radiais são iguais e apenas têm a função de garantir o movimento do eixo funcionando como
mancal de apoio do eixo. Eles têm diâmetro interno de 40 mm com ajuste por interferência k6 com o eixo N6
externamente na caixa de fixação. Assim, os rolamentos selecionados são os de código 61908, que resiste a 10 kN e
satisfazem os demais requisitos.
Os mancais para os rolamentos radiais com diâmetro interno de 40 mm serão fabricados em chapa SAE 1020 de
espessura de 22,22 mm (7/8’’). As peças são iguais e possuem diâmetro externo de 76 mm e interno de 62 mm com
ajuste por interferência N6 (sistema eixo base) conforme a seleção do rolamento. Para evitar o deslocamento do
rolamento na peça será feito uma ranhura para a fixação de um anel elástico de travamento, que foi dimensionado
segundo Provenza (1989). As peças serão soldadas uma no disco intermediário e a outra no fechamento do cilindro
inferior
Considerando que o disco intermediário de ligação tem a função de fazer a ligação entre a parte fixa (estrutura) e
móvel (eixo e cone) da máquina este será fabricado em aço SAE 1020. Terá um alojamento para rolamentos axial, por
isso, deverá suportar toda a carga imposta ao conjunto. Entretanto, teve-se que realizar o dimensionamento da espessura
mínima que separa os dois alojamentos dos rolamentos. Esta espessura foi determinada em função da tensão de
cisalhamento puro na região de aplicação da carga, segundo equações Eq. (9) e Eq. (10) extraídas de Beer (1989).
𝜏=
𝑄
𝐴𝑐𝑖𝑠
𝐴𝑐𝑖𝑠 = 𝜋𝐷𝑖 𝑥 𝑏
(9)
(10)
6º C ON G R E S S O B R A SIL EIR O D E E N G EN H A R I A D E F AB R I C A Ç Ã O 1 1 a 15 d e A b ri l d e 20 1 1. Ca xia s d o Su l - R S
Segundo Provenza (1989) o valor da tensão máxima admissível de cisalhamento () é de 98,1 MPa. O valor da carga
total aplicada já calculado é de 9,42kN (960 kgf) e o do diâmetro (Di) vale 62 mm. Dessa forma obteve-se:
b = 0,00049 m = 0,49 mm.
No entanto, por características construtivas da peça, em que se deve ter um espaçamento mínimo para a montagem
dos componentes com parafusos e flanges, a espessura do disco bruto é 19,05 mm (3/4’’) e a espessura que resiste a
carga é de 14,05 mm. A peça possui diâmetro externo de 340 mm e um rebaixo no diâmetro de 187 mm. Apresenta um
furo central de 51 mm de diâmetro para evitar o contato com o eixo e seis furos de 6,50 mm de diâmetro eqüidistantes
em 60° para fixação de conjuntos de porcas e parafusos sextavados M6 por 25 mm. O ajuste com o rolamento axial é N6
por interferência no sistema eixo base definido pelo rolamento.
Para o dimensionamento dos cordões de solda, considerou-se o ponto crítico do projeto referente à solda como
sendo a ligação dos pés com o cilindro inferior e no cone com o cilindro superior. Para o dimensionamento destes
cordões fez-se uso do formulário de Niemann (1963) para carregamentos transversais com cisalhamento, por meio das
Eq. (11) e Eq. (12)
𝛿𝑎𝑑𝑚 =
𝑃
𝑎𝑥𝑙
𝛿𝑎𝑑𝑚 = 𝑣1 𝑥 𝑣2 𝑥 𝛿𝑚𝑎𝑡
(11)
(12)
O processo de solda que será empregado é o MIG por arame tubular, e o arame utilizado é o que segue a norma
AWS A5.18 ER70S-6 que possui limite de escoamento de 400 MPa (4079 Kgf/cm²). O valor do carregamento (P) vale
2,72 kN (277,36 Kgf) que é o valor da caga total aplicada sob o ângulo de 60° referente a cada pé. O comprimento útil é
dado em função das medidas do contorno externo do pé e vale 181,8 mm. Os valores de v1,v2 recomendados para este
tipo de solicitação são de 0,22 e 0,5, respectivamente. Através da aplicação das equações, vêm que a
δadm = 448,69 Kgf/cm2, o que nos dará a = 0,03 cm = 0,3 mm. Como a dimensão do cordão de solda calculado é muito
pequeno e difícil de ser executado, as partes unidas por solda terão cordão aproximado de três milímetros. Todas as
demais soldas pertinentes ao projeto serão feitas de acordo com a especificação anterior.
5. CONCLUSÕES
Apesar das dificuldades encontradas durante o desenvolvimento do projeto, a solução concebida solucionou os
problemas apontados pelos possíveis usuários de forma condizente com as necessidades listadas por eles. Com a
utilização do equipamento será possível reduzir o tempo de manufatura dos tampos em, aproximadamente, 50%,
proporcionando melhores condições ergonômicas de trabalho ao operador, permitindo que esse possa efetuar outras
atividades em paralelo ao corte dos tampos.
6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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BARROS, F.D. Graxaria e Geração de Odores, São Caetano do Sul: IMT-CEUN, p. 1-2, 2007.
BEER, F. P. Resistência dos Materiais. 2. ed. Mc Graw Hill, 1989. cap. 4, p. 156-172.
BRASIL, A. D. Conhecimento e uso de metodologias de desenvolvimento de produtos: uma pesquisa envolvendo
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MARQUES, P.V. Soldagem Fundamentos e Tecnologia, Belo Horizonte: Editora UFMG, 2005.
PAHL, G; BEITZ, W. Engineering Design : a systematic approach. Londres : The Design Council, 1988.
PROVENZA, F.; Projetista de Máquinas, Pro-tec. 5ª edição. São Paulo: Ed. Pro-tec, 1976.
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ROMANO, L. N. Modelo de referência para o processo de desenvolvimento de máquinas agrícolas. 2003. Tese
(Doutorado em Engenharia Mecânica) – Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2003.
SHIGLEY, J. E.; MISCHKE, C. R; BUDYNAS, R. G.; Projeto de Engenharia Mecânica. 7ª edição. Porto Alegre: Ed.
Bookman, 2005.
Walmar Ingeniería. El Corte Mediante Oxicorte. Operación y Guía Practica
7. DIREITOS AUTORAIS
O autor é o único responsável pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho.
6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO
6th BRAZILIAN CONFERENCE ON MANUFACTURING ENGINEERING
11 a 15 de abril de 2011 – Caxias do Sul – RS - Brasil
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April 11 to 15 , 2011 – Caxias do Sul – RS – Brazil
PRODUCT DESIGN: DEVELOPMENT OF EQUIPMENT FOR
CORRECTION OF THE LIDS’ EDGES
Abstract: The reworking of the cylindrical surface of rounded lids in some equipment is carried through ergonomically
inadequate conditions and the time spent on the cut process is too high. Thus, the development of a device that
performs the correction of defects and dimensional flatness of the edges of the rounded lids, would allow a significant
improvement in the production cycle of these components, reducing considerably the costs and process time. Within
this context, this paper describes the design development of a machine equipped with an auxiliary cutting mechanism,
devised to perform the function described. To systematize and simplify the design process of the equipment, was
adopted a development methodology, which guided the sequencing of activities related to the design of the product. As
a result, was obtained a equipment that covers the requirements expressed by users.
Keywords: Lid, cut processes, half-spherical hubs, machine project
©
Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas 2011