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Desenvolvimento de um Dispositivo Mecânico para Rebarbar Peças de Grande Porte Fundidas em Aço
Marcelo de Brito Steil marcelobs@sc.senai.br Iveraldo de Aguiar iveraldodeaguiar@hotmail.com
Resumo: Este trabalho descreve o desenvolvimento e implantação de um dispositivo para fixação e manipulação de peças de grande porte, fundidas em aço, no setor de rebarbação. O dispositivo foi concebido para facilitar as operações de rebarbação em uma peça denominada cruzeta, que por ter mais de 500 kg de massa requer tradicionalmente a utilização de equipamentos de movimentação como empilhadeiras e pontes rolantes, o que torna o processo mais demorado. Após estudos de tempos e métodos observou-se que somente as operações de movimentação da cruzeta compõem 65% do tempo total de rebarbação. Desenvolveu-se então um dispositivo para manipulação das cruzetas na forma de um tubo de aço vertical fixado no chão onde foi acoplada uma viga em “U” que permite a fixação e giro horizontal e vertical da peça fundida. Após a fabricação do dispositivo e da instalação na linha de rebarbação, foram realizados testes que indicaram uma redução de tempo total de permanência da peça no setor de 41%.
Palavras-chave: Dispositivo. Cruzetas. Manipulação de Peças. 1 Introdução
Conforme Slack (2002), uma das estratégias das empresas para manterem-se competitivas em um mercado cada vez mais acirrado é o desenvolvimento e implantação de melhorias contínuas em seus processos de fabricação.
No ramo de fundição, por utilizar várias etapas intermediárias durante a fabricação de uma peça, tais como modelação, moldagem, macharia, fusão, desmoldagem, rebarbação, tratamento térmico, dentre outros, conforme apresenta a Figura 1, sempre há novas possibilidades de melhorias no seu processo produtivo.
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Figura 1 - Fluxograma da produção de peças fundidas
Fonte: Steil (2007)
Outro aspecto no ramo da fundição que demanda atenção e, igualmente, pode proporcionar possibilidades de melhorias é quando o produto a ser fundido é de grande porte, por exemplo, uma peça com mais de 500 kg de massa. Nessas condições sua movimentação entre os setores, e mesmo dentro de uma mesma operação se torna uma atividade delicada e perigosa, tanto para a qualidade da peça, quanto para a segurança dos operadores.
Esta foi à situação enfrentada no setor de rebarbação de uma fundição da região de Blumenau, Santa Catarina, que produz peças de grande porte em aços especiais. Para a operação de rebarbação neste tipo de peça é necessário usinar várias de suas faces, obrigando os operadores a manipular o fundido, virando-o, periodicamente, para acessar as faces da base.
Tradicionalmente, na operação de manipulação deste tipo de peça, devido ao elevado peso, os operadores necessitam utilizar tanto a empilhadeira quanto a ponte rolante, o que interfere no andamento das várias atividades da fundição que também utilizam estes equipamentos.
A necessidade de utilização da ponte rolante e de empilhadeiras para as operações de rebarbação torna-se, portanto, um fator de restrição da produtividade, pois, por mais que se tente balancear os tempos de execução das atividades de produção de
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uma peça fundida, esse sistema possibilita o desperdício de tempo na espera do equipamento.
Além da restrição a uma maior produtividade do setor, a forma de trabalho desenvolvido tradicionalmente na rebarbação de peças fundidas de grande porte, exige esforço físico por parte dos operadores, pois a peça, apoiada no piso, por vezes faz com que se trabalhe com posturas ergonomicamente não apropriadas, como se vê na Figura 2.
Figura 2 - Processo de rebarbação sem o dispositivo de manipulação
Fonte: O autor (2014)
Diante desta situação, vislumbrou-se uma possibilidade de melhoria no setor de rebarbação de peças de grandes dimensões no sentido de desenvolver seus trabalhos sem depender da disponibilidade da ponte rolante e das empilhadeiras e ao mesmo tempo, oferecer condições apropriadas para execução da tarefa.
Para tal, foi proposta a fabricação de um dispositivo mecânico para manipular a peça, visando solucionar problemas de produtividade, movimentação de peças, prevenir acidentes e aumentar a motivação dos funcionários do setor.
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Inicialmente, após análise dos tempos de produção, optou-se por desenvolver um dispositivo de manipulação para a peça fundida em aço denominada cruzeta, que se vê na Figura 3.
Figura 3: Cruzeta
Fonte: O autor (2014)
A cruzeta é uma peça utilizada no sistema de movimentação da caçamba de tratores de grande porte, como visto na Figura 4, indicada pela seta.
Figura 4: Cruzeta montada no trator
Fonte: O autor (2014)
A operação de rebarbação da cruzeta se dá em dois postos de trabalho. Os trabalhos iniciam com a transferência da peça até o primeiro posto de trabalho com a
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utilização de uma empilhadeira. Após o trabalho de desbaste, a peça é virada, também com a utilização de uma empilhadeira. Depois a peça é transferida por uma empilhadeira para um segundo posto de trabalho, onde ocorrem as principais operações de desbaste. Depois de rebarbada é retirada do setor com a ponte rolante.
A opção pelo desenvolvimento do dispositivo de manipulação para esta peça se deu após a realização de um estudo de tempos e métodos para a fabricação desta cruzeta, onde se mediu o tempo total de rebarbação e os tempos envolvidos nas movimentações, mostrado no quadro 1.
Quadro 1: Tempos na operação de rebarbação através do método convencional
OPERAÇÃO TEMPO (min)
Uso da empilhadeira para transferência até o primeiro posto de trabalho 15 Movimentação da peça no primeiro posto de trabalho 23 Transporte de empilhadeira do primeiro para o segundo posto de trabalho 10 Movimentação da peça no segundo posto de trabalho 1166
Retirada da peça por ponte rolante 75
Tempo total utilizado em movimentação 1289
Tempo total para o acabamento (nos dois postos de trabalho) 696
TEMPO TOTAL PARA A OPERAÇÃO 1985
Fonte: O autor (2014)
Como se percebe no Quadro 1, 35% do tempo total da operação de rebarbação da cruzeta são utilizados nas operações efetivas de retirada de rebarbas, e 65 % na movimentação da peça, dados apresentados em forma gráfica na Figura 5:
Figura 5: Estratificação dos tempos na rebarbação da Cruzeta
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Neste sentido, este projeto tem por objetivo desenvolver um dispositivo de manipulação para facilitar a movimentação de cruzetas fundidas de grande porte no setor de rebarbação. Busca-se assim, aumentar a produtividade do processo produtivo e melhorar a ergonomia na área de trabalho, possibilitando fácil manuseio para que as peças pudessem ser movimentadas de maneira mais segura e rápida.
3 Desenvolvimento do trabalho
Para que o dispositivo atenda as necessidades requeridas pela operação é necessário que uma série de características seja garantida, entre elas deve-se assegurar a fixação da peça de modo a manter as especificações dimensionais estipuladas pelo cliente. Para tal o dispositivo deve ser robusto para que se garanta ausência de vibrações.
Quanto ao aspecto dimensional o dispositivo deve igualmente garantir o esquadro correto em relação aos seus apoios, bem como permitir o acesso das ferramentas de corte e desbaste.
Para o desenvolvimento de um dispositivo ou estrutura mecânica, é necessário em primeiro lugar analisar a forma tridimensional da cruzeta para verificar as áreas que serão usinadas ou pré-usinadas indicadas no desenho técnico mecânico da peça, que por razões de sigilo industrial, não será reproduzido neste trabalho.
De posse do desenho metalúrgico da peça, foram observados, inicialmente, os posicionamentos das linhas de partição do molde, mostradas na Figura 6, ao longo das quais é realizada a retirada das rebarbas oriundas no encaixe entre as partes superior e inferior do molde.
Figura 6: Linhas de partição do molde
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Foram observados, igualmente, os locais onde o sistema de enchimento comunica-se com a peça, pois são por esses dutos que o metal líquido preencherá a cavidade da peça. Depois da peça solidificada, esses canais são seccionados, e por conta disso necessitam das operações de acabamento para nivelamento da superfície. A Figura 7 mostra os locais de contato entre a cruzeta e os canais de enchimento do conjunto fundido.
Figura 7: Locais de entrada do metal líquido na cavidade do molde
Fonte: O autor (2014)
Por fim foram identificados os locais onde são acoplados os massalotes junto à peça fundida, mostrados na Figura 8, pois estas áreas também serão rebarbadas.
Figura 8: Locais de contato dos massalotes com a cavidade do molde
Fonte: O autor (2014)
De posse dos locais onde a cruzeta recebe as operações de rebarbação buscou-se determinar os pontos para “topagem”, ou seja, para a sustentação da peça durante as
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operações de usinagem e movimentação. No caso da peça não possuir esses pontos, deverão ser analisados os desenhos de fundição, para identificação dos melhores locais, ou seja, pontos de superfícies mais adequados como áreas planas sem rebarbas de aço. Outro aspecto que deve ser observado é que o plano determinado para a fixação deve necessariamente coincidir com o centro de massa da peça de modo a possibilitar um giro suave e equilibrado. O centro de massa da cruzeta foi determinado e está mostrado na Figura 9.
Figura 9: Centro de massa da cruzeta
Fonte: O autor (2014)
Observando-se os aspectos considerados anteriormente, ou seja, as linhas de partição do molde, os locais de entrada do metal líquido e de contato dos massalotes com a cavidade do molde, bem como os possíveis planos que cortam o centro de massa da peça, optou-se por fixar a peça junto às laterais do corpo cilíndrico da cruzeta, como se vê na Figura 10. Outro argumento que corrobora com o local escolhido para o apoio é o fato de que esta parte da cavidade está composta por machos, que produzem um acabamento superficial na face da peça fundida, melhor do que as faces dos moldes.
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Figura 10: Locais para fixação da peça no dispositivo
Fonte: O autor (2014)
Depois de determinado os locais de fixação da peça no dispositivo e após estudo das faces a serem usinadas, optou-se por desenvolver um dispositivo de manipulação constituído por uma base tubular de aço fixado ao solo no qual é adaptado um par de braços giratórios. O dispositivo pode ser visto em cinza na ilustração da Figura 11, onde se vê a peça em verde adaptada no mesmo. As setas em vermelho indicam os planos de giro.
Figura 11: Dispositivo manipulador de cruzetas
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A Figura 12 apresenta o desenho mecânico de conjunto do dispositivo para manipulação de cruzetas de grande porte.
Figura 12: Desenho de conjunto do dispositivo para manipulação de cruzetas
Fonte: O autor (2014)
Como se observa na Figura 12, na concepção mecânica do dispositivo utilizaram-se sete componentes principais, descritos no Quadro 2.
Quadro 2: Componentes do dispositivo para manipulação de cruzetas
COMPONENTE MATERIAL
Pino de Encaixe da Garra Aço ASTM A7743
Tubo mecânico Aço ABNT 1020
Rolamento de esferas blindado Comercial
Capa do mancal Aço ABNT 1045
Eixo do mancal Aço ASTM 743
Junção do eixo à viga “U” Aço ABNT 1045
Viga “U” Aço ABNT 1045
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Após as definições de peças e materiais passou-se a construção do dispositivo, mostrado na Figura 13, já com a peça fixada na posição horizontal.
Figura 13: Dispositivo para manipulação de cruzetas na posição horizontal
Fonte: O autor (2014)
A Figura 14 apresenta o dispositivo com a peça fixada e basculhada na posição vertical.
Figura 14: Dispositivo para manipulação de cruzetas na posição vertical
Fonte: O autor (2014) 4 Discussão dos resultados
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Depois de construído o dispositivo, foram realizados testes de fixação e movimentação, bem como um novo estudo de tempos e métodos da operação de rebarbação da cruzeta, cujos resultados estão apresentados no Quadro 3 em comparação com os tempos necessários para as mesmas operações através do procedimento tradicional, sem o dispositivo.
Quadro 3: Comparativo entre os tempos na operação de rebarbação
OPERAÇÃO TEMPO (min) Sem dispositivo Com dispositivo Espera pela empilhadeira para transferência até o
primeiro posto de trabalho 15 0
Movimentação da peça no primeiro posto de trabalho 23 4 Transporte de empilhadeira para o outro posto de trabalho 10 0 Movimentação da peça no segundo posto de trabalho 1166 770
Retirada da peça por ponte rolante 75 7
Tempo total utilizado em movimentação 1289 781
Tempo total para o acabamento 696 387
TEMPO TOTAL PARA A OPERAÇÃO 1985 1168
Fonte: O autor (2014)
O Quadro 3 apresenta o impacto da melhoria em relação aos tempos de fabricação da cruzeta. Inicialmente pode-se observar a eliminação da utilização da empilhadeira durante toda a operação de rebarbação. Além do ganho do tempo médio de espera pela empilhadeira no setor de rebarbação, a utilização do dispositivo possibilita o uso da empilhadeira para outras atividades. A Figura 15 mostra os ganhos comparativos entre os tempos de rebarbação sem e com a utilização do dispositivo.
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Figura 15: Gráfico comparativo entre os tempos de rebarbação
Fonte: O autor (2014)
A utilização do dispositivo possibilitou uma redução de 46% no tempo de operação de desbaste efetivo no setor de rebarbação, além de diminuição de 40% no tempo de movimentação da peça. A redução de tempo total de permanência da peça no setor foi de 41%.
O impacto da utilização do dispositivo no custo de fabricação da peça foi igualmente positivo. Considerando-se o custo unitário da operação de rebarbação em R$ 500,00 (este custo é fictício para preservar as informações gerenciais da empresa parceira) a utilização do dispositivo fez com que o custo de rebarbação da peça caísse para R$ 274,00, ou seja, uma economia de R$ 246,00 por peça só no setor de rebarbação.
Considerando-se a produção anual média de 864 peças, a melhoria levou a uma economia de R$ 212.544,00 por ano.
O Quadro 4 apresenta as melhorias financeiras obtidas com a implantação do dispositivo.
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Quadro 4: Redução do custo de rebarbação da cruzeta
CUSTO (R$) GANHO (R$) Sem dispositivo Com dispositivo
Custo de rebarbação por cruzeta 500,00 274,50 246,00
Custo anual de rebarbação (864 cruzetas) 432.000,00 237.168,00 194.836,00
Fonte: O autor (2014)
A Figura 16 apresenta de forma gráfica a melhoria obtida em relação ao custo da operação de rebarbação.
Figura 16: Custo de rebarbação por cruzeta
Fonte: O autor (2014)
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Pode-se concluir que o dispositivo para manipulação de peças fundidas de grande porte desenvolvido e aplicado por uma fundição de aço do vale do Itajaí, Santa Catarina, apresentou uma significativa melhoria no processo rebarbação da cruzeta.
A melhoria foi observada com a diminuição no tempo de movimentação de peças, levando a uma melhoria na eficiência do setor. Além disso, a dispensa da utilização da empilhadeira, igualmente, acarreta ganhos financeiros na diminuição do tempo total da operação, bem como na diminuição de riscos decorrentes da movimentação de peças de grande porte.
A diminuição do tempo na manipulação das peças com o uso do dispositivo representou ganho de 318 minutos por peça, o que equivale a 5 horas, ao longo do trabalho dispendido para obtenção da peça finalizada.
Outro ganho percebido pelos operadores foi à melhoria nas condições de trabalho, tornando-o mais humanizado e ergonômico pelo fato de poder desenvolver seu trabalho em uma posição mais confortável.
Referências
SLACK, N.; JOHNSTON, R.; CHAMBERS, S. Administração da Produção, 2ª. ed. São Paulo: Atlas, 2002.
STEIL, Marcelo de Brito. Processos de fundição. Blumenau: Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial, SC,. 2007.
