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Fabricação de um rotor para ventilador radial através do processo de usinagem CNC

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Academic year: 2021

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Fabricação de um rotor para ventilador radial

através do processo de usinagem CNC

Wagner Eugenio PEREIRA1

Diego Fernandes SILVA2

Resumo: Desde as antigas civilizações, o homem busca racionalizar e

automatizar seu trabalho por meio de novas técnicas. A automação simplifica todo tipo de trabalho, seja ele físico, seja mental. O exemplo mais comum de automação do trabalho mental é o uso da calculadora eletrônica. Diante da nova realidade do mercado mundial, faz-se necessária a busca de meios produtivos de maior flexibilidade, a fim de que o consumidor final tenha o máximo de opções possíveis sobre um mesmo modelo de produto. O presente trabalho tem por objetivo a concepção de um rotor através de uma máquina controlada por Comando Numérico Computadorizado (CNC) para ventilador radial. O trabalho foi realizado mediante pesquisas bibliográficas de materiais publicados em livros, artigos, dissertações e teses. O tema do trabalho surgiu pela necessidade de aprofundar o conhecimento sobre uma máquina desse tipo, incluindo experiências na fabricação de um rotor para ventilador radial através de CNC, evidenciando o processo de usinagem.

Palavras-chave: Evolução Tecnológica. Comando Numérico Computadorizado.

Processo de Usinagem.

1Wagner Eugenio Pereira. Bacharelando em Engenharia Mecânica pelo Claretiano – Centro Universitário. E-mail: <pereira.wagner35@gmail.com>.

2Diego Fernandes Silva. Especialista em Engenharia e Inovação pelo Centro Universitário Estácio. Bacharel em Engenharia de Produção pela Universidade de Franca (UNIFRAN). Licenciado em Matemática pelo Claretiano – Centro Universitário. E-mail: <diegosilva.claretiano@gmail.com>.

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Manufacture of a radial fan rotor through the

CNC machining process

Wagner Eugenio PEREIRA Diego Fernandes SILVA Abstract: Since ancient civilizations, human beings has sought to rationalize

and automate his work by means of new techniques. Automation simplifies all types of work, whether physical or mental. The most common example of the automation of mental work is the use of the electronic calculator. Given the new reality of the world market, it is necessary to search for more flexible productive means, so that the end consumer has as many options as possible on the same product model. The present work aims to rotor design using a Computerized Numerical Command (CNC) controlled machine for radial fan. The work was accomplished through bibliographical research, materials published in books, articles, dissertations, and theses. The subject of the work arose from the need to deepen the knowledge of a CNC machine, including experiences of the manufacture of a rotor. Taking into consideration the construction of a radial fan impeller through CNC, also highlighting the machining process.

Keywords: Technological Evolution. Computer Numeric Command. Machining

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1. INTRODUÇÃO

A definição de “máquina-ferramenta” não é exatamente simplória, devido ao grau de refino a que chegou:

Máquina estacionária, não portátil, acionada por uma fonte de energia externa – não humana nem animal – que modifica a forma de peças metálicas sólidas, ou de materiais alternativos com finalidades similares, por deformação plástica ou por natureza mecânica abrasiva, eletro físico, eletroquímico ou fotônica, com decorrente remoção de massa (ABIMAQ, 2006, p. 105).

A partir da evolução tecnológica, a primeira máquina-ferramenta controlada por computador foi uma fresadora. Ela surgiu em 1952 e destinava-se a usinar peças de geometrias complexas utilizadas em aviões.

De todas as invenções que o homem foi capaz de realizar, cabe destacar o ventilador mecânico, criado nos Estados Unidos, em 1882, por Schuyler S. Wheeler. Os ventiladores possuem várias utilidades de uso residencial e industrial, como, por exemplo, para ventilar placas de computadores.

Ventiladores são um dispositivo mecânico utilizado para converter a energia mecânica de rotação aplicada em seus eixos em aumento da pressão do ar, e o rotor é tudo o que gira em torno de seu próprio eixo, produzindo movimentos de rotação.

A construção de ventilador radial tem uma formação específica; suas pás são distribuídas e posicionadas radialmente, formando um rotor igual a um cilindro, e o fluxo do cilindro é direcionado do centro para fora do conjunto.

O Comando Numérico Computadorizado (CNC) na produção de peças usinadas facilitou a produção, trazendo mais agilidade à engenharia mecânica, que funcionava de forma manual, sendo as peças rotacionadas através de correias de transmissão. Com o avanço tecnológico, a produção passou a ser controlada por um computador e um operador, o que se tornou importante para

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as indústrias, ganhando tempo, qualidade e maior precisão na fabricação de seus produtos.

O CNC é um computador dedicado ao controle de movimento de eixos de uma máquina operatriz. Pode-se dizer que as máquinas CNC são totalmente automatizadas; com necessidade de operadores mínimas, a máquina computadorizada trabalha por horas ou por dias sem interrupção, e o operador não precisa ser um especialista. A máquina CNC tem vantagens que, no trabalho manual, não existem, como o tempo reduzido e a precisão do trabalho.

O tema do trabalho (fabricação de um rotor para ventilador radial através do processo de usinagem CNC) surgiu a partir da necessidade de saber a viabilidade da fabricação de um rotor através do processo de usinagem por uma máquina CNC.

O objetivo desta pesquisa é apresentar um estudo a partir de materiais publicados em livros, artigos, dissertações e teses sobre a fabricação de um rotor para ventilador radial através do processo de usinagem CNC.

2. DESENVOLVIMENTO Comando Numérico (CN)

Groover (1980) define Comando Numérico (CN) como forma de manufatura programável em que o processo é controlado por valores numéricos, letras e caracteres especiais.

O primeiro esforço organizado para a aplicação do Comando Numérico (CN) iniciou-se em 1949, no laboratório de servomecanismos do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (M.I.T.), associado à Força Aérea Americana (U.S. Air Force) e à Parsons Corporation. Muito do desenvolvimento foi promovido pela U.S. Air Force, na produção de estruturas de avançados aviões militares a jato, em um curto intervalo de tempo entre o projeto e a fabricação, apresentando-se como excelentes oportunidades para o teste do Comando Numérico (CN).

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Segundo Telles (1990), as máquinas-ferramenta CN são projetadas para apresentar precisão, repetitividade e confiabilidade compatíveis com suas aplicações e condições de trabalho, que, normalmente, são muito mais rígidas do que quando se utilizam máquina-ferramentas convencionais. Esse tipo de controle é dotado de uma velocidade precisa de posicionamento em qualquer ponto do espaço, uma vez que todos os eixos CN são precisamente controlados.

Essa integração os transformou em Comandos Numéricos Computadorizados (CNCs). Ainda em 1949, surgem os primeiros sistemas CAD (Computer Aided Design) e CAM (Computer Aided

Manufacturing). Essa tecnologia é introduzida no Brasil em 1971,

com a fabricação do primeiro torno com CN, pelas indústrias ROMI (MACHADO, 1990).

Figura 1. Exemplos de máquinas CNC.

Fonte: Slipeplayer (2011).

Existem dois tipos básicos de sistemas de posicionamento de máquinas CN:

a) Sistemas de posicionamento de malha aberta: não verificam se a posição atingida corresponde à posição programada e são mais baratos e apropriados para situações em que as forças são resistentes aos movimentos mínimos.

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b) Sistemas de posicionamento de malha fechada: usam sistemas de feedback para verificar se a posição atingida corresponde à programada, bem como para fazer correções, se necessário. São sistemas mais caros e realizam movimentos contínuos.

Controle em malha aberta

Neste tipo de sistema, a saída não exerce qualquer ação no sinal de controle. Desse modo, a saída do processo não é medida nem comparada com a saída de referência. O diagrama de blocos da Figura 2 representa este sistema:

Figura 2. Diagrama de blocos do controle em malha aberta.

Fonte: Kwakernaak e Sivan (1972).

Controle em malha fechada

O termo “malha fechada” implica, necessariamente, na existência de uma realimentação, com o objetivo de reduzir o erro, mantendo a saída do sistema num determinado valor desejado. A relação entrada-saída de um sistema de controle típico em malha fechada está representada pelo diagrama de blocos da Figura 3. Figura 3. Diagrama de blocos do controle em malha fechada.

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A frequência de pulso correspondente a 500mm/min pode ser obtida rearranjando a equação:

A frequência de velocidade da mesa é corrigida pela equação:

A vantagem dos sistemas de controle em malha fechada em relação aos de malha aberta consiste no fato de a realimentação tornar a resposta do sistema relativamente insensível a perturbações externas e variações internas dos parâmetros do sistema. Desse modo, é possível utilizar componentes mais baratos e de menor precisão para obter o controle preciso de um dado processo. Essa característica é impossível ser obtida com um sistema em malha aberta. Do ponto de vista da estabilidade, os sistemas de controle em malha aberta são mais robustos, uma vez que a estabilidade não constitui um problema significativo. Nos sistemas de controle em malha fechada, a estabilidade é um problema de primordial importância, visto que o sistema pode tender a sobrepor erros, produzindo oscilações de amplitude constante ou variável.

Assim, podemos concluir que, nos sistemas em que são conhecidas as variáveis de entrada antecipadamente no tempo e nos quais não haja perturbações muito significativas, é aconselhável a utilização do controle em malha aberta. Para sistemas que estejam sujeitos a perturbações imprevisíveis e/ou variações não previstas nos componentes do sistema, deve-se utilizar o controle em malha fechada.

Para Machado (1990), há duas maneiras para as máquinas CN: como comando numérico ponto a ponto, que permite o posicionamento dos eixos comandados de máquinas dentro do intervalo de precisão e repetitividade previstos, porém, em movimento rápido, sem uma trajetória predeterminada e controlada, ou como comando numérico contínuo, que garante, além do

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posicionamento preciso da peça segundo os eixos comandados, uma trajetória da ferramenta perfeitamente definida tanto na sua forma quanto na velocidade de avanço.

Para Gaspar (2009) o avanço das tecnologias, as máquinas de Comando Numérico evoluíram para as máquinas CNC – Comando Numérico Computadorizado. Dentro do desenvolvimento das tecnologias de fabricação, a máquina a CNC aparece hoje não mais como uma opção, mas, sim, como necessidade, para que as empresas possam se tornar mais competitivas e até mesmo assegurar suas participações no seu segmento de mercado e, como consequência, aumentar a cada dia a demanda de profissionais preparados para “trabalhar” com esse tipo de equipamento.

Comando Numérico Computadorizado – CNC

Considerando a história da usinagem mecânica como um esforço contínuo de superar dificuldades na confecção de peças cada vez mais complexas com um grau cada vez maior de repetitividade, essa característica de repetitividade se torna extremamente importante na medida em que a peça mecânica não trabalha mais isolada, como era o caso da lâmina do arado ou da ponta de lança, mas, sim, em conjunto com outras peças, devendo haver o melhor ajustamento possível entre elas.

Além disso, ao fabricar um produto em grandes lotes, torna-se imperativo diminuir o processo de fabricação para eliminar os erros e a morosidade introduzidos pelo fator humano presente no sistema. Diminuindo a flexibilidade desse processo, aumenta-se a repetitividade, a produção, e cai o custo.

Segundo Silva (2008), a programação CNC começa quando as características da peça são analisadas para determinar os processos de fabricação necessários. A seguir, escolhe-se como fixar a peça, as ferramentas, sequências de usinagem e as condições de usinagem. A elaboração de um programa CNC é uma tarefa bastante minuciosa, pois envolve uma série de informações relacionadas com a geometria da peça, com o tipo de máquina, com as ferramentas disponíveis e, ainda, todos os fundamentos de usinagem necessários para

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obtenção do produto com as características desejadas. Os métodos de programação CNC podem ser classificados em quatro grupos, sendo eles:

a) programação manual; b) programação do tipo APT; c) sistemas gráfico-interativos; d) sistemas CAD-CA.

Nos dois primeiros grupos (programação manual e programação do tipo APT), o programador compõe o programa através de testes de simulação na própria máquina. Nos dois últimos grupos (sistemas gráfico-interativos e sistemas CAD-CA), a elaboração do programa é realizada com o auxílio do computador em situações com geometria totalmente definida, nas quais todos os dados necessários são informados, mas a geração final do programa é feita pelo sistema de programação assistida pelo computador.

As aplicações de máquinas CNC são diversas e podem ser encontradas nas indústrias têxtil, alimentícia, de embalagens, de calçados, de plásticos, metalúrgica, farmacêutica, de tintas, gráficas e automobilísticas. Portanto, o comando numérico pode ser utilizado em qualquer tipo de máquina-ferramenta. Sua aplicação tem sido maior nas máquinas que executam diferentes operações de usinagem. Os tornos e centros de torneamento servem para usinar peças cilíndricas. As fresadoras e os centros de usinagem são usados para trabalhar peças não cilíndricas. Os centros de torneamento e usinagem distinguem-se de outras máquinas-ferramenta por sua maior robustez, rigidez e potência.

Rotor

O rotor é um componente que, em uma turbina ou outro tipo de máquina, gira. Para as máquinas elétricas, o rotor é a contraparte do estator; ambos os elementos são imprescindíveis para transmitir a potência. O rotor é composto por um eixo associado a bobinas, ligadas ao núcleo que gira.

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Figura 4. Rotor.

Fonte: Remy, Gay e Gonthier (1990, p. 232).

Processo de usinagem CNC

O processo de usinagem é complexo e depende de uma série de procedimentos que são combinados para que uma peça seja moldada e fabricada perfeitamente. Cada procedimento requer atenção e cuidados por parte dos profissionais envolvidos. Para isso, são utilizadas, também, as máquinas-ferramenta, que são grandes equipamentos responsáveis por cortar, moldar, refinar e finalizar uma peça.

A usinagem é uma técnica milenar, cujos registros apontam sua existência antes mesmo da história de Cristo. Nos tempos mais remotos, esse trabalho era usado para forjar armas e espadas. Hoje em dia, embora tenha mudado completamente a sua abordagem e seja utilizado para a fabricação de peças voltadas para as mais variadas indústrias, o processo de usinagem ainda é crucial para a humanidade e para a evolução industrial e tecnológica.

O processo de usinagem passa por operações para chegar ao resultado final, as quais são definidas a seguir.

Perfuração

Os furos são cruciais nas peças. E, no processo e usinagem, eles são realizados em um passo chamado “perfuração”. A perfuração parece simples, mas é essencialmente delicada. Isso porque os furos precisam ter um diâmetro perfeito e exatamente

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do tamanho que o projeto pede. Qualquer alteração fará com que a peça não se encaixe ou não fixe corretamente.

Moagem

A moagem é feita com uma peça de pedra, que é responsável por moldar o aço – algo realmente muito difícil, já que esse material é de grande resistência. A moagem pode ser usada para diferentes finalidades. O mais comum é que seja aplicada quando é necessário afiar uma peça ou mesmo quando é importante dar forma a objetos acetinados.

Segundo Meirelles (2000), usinagem nada mais é que um processo que confere forma a um material bruto através da remoção de material, que é feita pelo cisalhamento controlado, com o auxílio de uma máquina equipada de uma ferramenta de corte. O material removido é chamado de “cavaco”, e sua forma e temperatura estão intimamente relacionadas à configuração de usinagem. Dessa forma, as ferramentas de corte possuem quatro características, que são elas: ângulo de saída, ângulo de posição, raio de ponta e ângulo de folga, características essas à base da geometria de uma ferramenta de corte.

A Figura 5 representa as relações que envolvem o processo de usinagem.

Figura 5. Relações que envolvem a usinagem. Usinagem

Parâmetros

Meio Ambiente Ferramenta Produtividade

Máquina-ferramenta Fonte: Filippo Filho (2002).

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• Ferramenta: tudo o que realiza uma operação de usinagem. • Processo de usinagem: relações que envolvem a qualidade

de uma peça usinada.

• Produtividade: redução de custos num ambiente reduzido, acirramento da concorrência e a necessidade de aumen-tar a produtividade tornam-se fatores fundamentais para quem quer se manter no mercado.

• Meio ambiente: o balanço ambiental documenta o mate-rial e a energia que entram e saem do processo, avaliando quais os impactos ao ambiente provenientes desta ativida-de, tanto no uso de recursos naturais, muitas vezes feito de forma irracional, como na geração e emissão de resíduos sólidos, líquidos ou gasosos.

• Máquina-ferramenta: a maioria dos processos de tornea-mento faz uso de ferramentas simples.

• Parâmetros: os parâmetros que descrevem o movimento da ferramenta e/ou peça são: frequência de rotação, velo-cidade de corte e velovelo-cidade de avanço.

Fabricação de um rotor para ventilador radial através de CNC O Comando Numérico Computadorizado também é um equipamento eletrônico que traduz informações para as máquinas. A diferença é que essa tradução é feita através de um microcomputador interno.

As informações do perfil da peça ou das operações de usinagem são programadas através de um arquivo de programa. Devido à sua capacidade de processamento, os CNCs podem controlar máquinas mais complexas, com diversos tipos de usinagem e ferramentas, e executar perfis de usinagem mais complexos. Neste exemplo, veremos a produção do rotor da Figura 6.

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Figura 6. Rotor feito de Tecnil.

Fonte: acervo dos autores.

O rotor foi produzido com um centro de usinagem vertical Skybull 600, que apresenta uma estrutura robusta, oferecendo rigidez e estabilidade; spindle de alto desempenho, com variação contínua de velocidade para rpm: base e coluna com dimensionamento adequado, garantindo estabilidade geométrica para os eixos e maior precisão de usinagem; guias lineares e fusos de esferas circulantes de alta precisão, com avanço rápido de até 24m/min.

Figura 7. Fabricação do rotor

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As fotos apresentadas demonstram a construção do rotor através do software GibbsCAM, que é um sistema CAM de ponta para programação em CNC. O GibbsCAM tem a eficiência e a flexibilidade para criar peças da maneira que se desejar. Com sua interface de fácil navegação projetada para a oficina, é possível maximizar a produtividade através de códigos de fácil compreensão. Seja um programador de CNC, um mecânico industrial ou um engenheiro de fabricação, o usuário encontrará uma terminologia familiar; os ícones fazem sentido e os processos são lógicos. Com o GibbsCAM, a programação de CNC é flexível, rápida, confiável e eficiente.

3. CONSIDERAÇÕES FINAIS

O trabalho realizado teve como objetivo apresentar a viabilidade da fabricação de um rotor através do processo de usinagem por uma máquina CNC, por meio de bibliografia referente ao tema, materiais publicados em livros, artigos, dissertações e teses.

A pesquisa bibliográfica realizada possibilitou um melhor entendimento sobre a fabricação de um rotor por meio de um comando computadorizado, permitindo apresentar uma produção de qualidade para o mercado.

As máquinas CNC oferecem trabalhos altamente precisos que podem ser muito difíceis e demorados para os humanos, possibilitando economizar, indiretamente, o tempo de usinagem e, assim, aumentar a produção global. Na verdade, existem algumas tarefas de precisão que podem ser feitas somente pelas máquinas CNC.

Uma máquina computadorizada com inovação tecnológica praticamente substitui a mão de obra humana, além de ser um sistema que permite o controle de máquinas, sendo utilizado, principalmente, em tornos e centros de usinagem.

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Portanto, foi possível verificar que um rotor já é fabricado por Comando Numérico, podendo, consequentemente, ser usado em ventilador radial, que é a maneira mais utilizada.

O trabalho proporcionou o conhecimento da importância de um comando numérico na indústria, mudando radicalmente os processos industriais. Perfis de alta complexidade são facilmente usinados. O CNC reduziu, também, o número de erros humanos (o que aumenta a qualidade dos produtos diminuindo retrabalho e desperdício), agilizou as linhas de montagem e tornou-as mais flexíveis, pois a mesma linha de montagens pode agora ser adaptada para produzir outro produto num tempo muito mais curto se comparados aos processos tradicionais de produção. Acompanhando o desenvolvimento tecnológico da informática e a tendência por uma interatividade cada vez maior com o usuário, o código e a linguagem de máquina evoluíram.

REFERÊNCIAS

ABIMAQ. A história das maquinas Abimaq. São Paulo: Magma Cultural e Editora, 2006.

FILIPPO FILHO, G. Motor de indução. São Paulo: Érica, 2002.

FIPE – FUNDAÇÃO INSTITUTO DE PESQUISAS ECONÔMICAS. Evolução tecnológica da indústria de máquinas-ferramenta no Brasil. São Paulo, 1980. GASPAR, M. A melhoria contínua em processos produtivos, com a utilização da tecnóloga CNC, na indústria metal-mecânica: estudo de caso da máquina CNC de corte laser de tubos metálicos, na indústria Metalúrgia Golin. 2009. Monografia (Tecnólogo em Produção) – Faculdade de Tecnologia da Zona Leste, São Paulo, 2009.

GROOVER, M. P. Automation, production systens, and computer-aided. New Jersey: Prentice Hall PTR, 1980.

MACHADO, A. Comando numérico aplicado a máquinas-ferramenta. São Paulo: Ícone, 1990.

MEIRELLES, G. S. C. Desenvolvimento de sistema de aquisição de dados em operações de usinagem visando o monitoramento de linhas ou células de produção. São Carlos, 2000. 97 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia) – Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, 2000.

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REMY, A.; GAY, M.; GONTHIER, R. Materiais. São Paulo: Hemus, 1990. SENAI – SERVIÇO NACIONAL DE APRENDIZAGEM INDUSTRIAL. Fabricação de um rotor. Porto Velho, 2019.

SILVA, P. E. Tecnologia de Comando Numérico. Aula 3. [S.l.:s.n.], 2008. TELLES, G. N. S.P.A.T. – Sistema de Programação Automática de Tornos. São Paulo: Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade de Campinas, 1990.

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