Capítulo 5. Projeto de Operações de Usinagem

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1 95 Capítulo 5 Projeto de Operações de Usinagem 5.1. Tarefas Envolvidas no Projeto de Operações de Usinagem As operações requeridas para fabricar uma peça são identificadas no planejamento do roteamento do processo. Estas operações são listadas numa ordem lógica para formar um plano de processo. Este plano é muito útil para o planejamento geral da manufatura. Entretanto, ele não fornece instruções suficientemente detalhadas para o operador executar a usinagem. Se o processo envolvido é simples, o operador poderá vislumbrar meios de usinar a peça. Entretanto, se o processo é mais complicado, é necessário que se inclua instruções mais detalhadas. O projeto de operações é necessário, e portanto ele é o próximo passo no planejamento do processo. As seguintes atividades são efetuadas no projeto de operações de usinagem: seleção da máquina e ferramental para cada operação; arranjo da sequência de operações elementares em cada operação; determinação dos sobre-materiais para cada superfície a ser usinada; determinação das cotas e tolerâncias de fabricação para cada operação; determinação das condições de usinagem para cada operação. estimativa dos tempos padrões para cada operação. Comparando-se ao planejamento do roteamento do processo, todas as atividades específicas relacionadas a cada operação são estudadas mais detalhadamente no projeto de operações. Não é incomum o processista encontrar alguma inconsistência num plano de processo durante o estágio de projeto de operações. Neste caso, o plano deve ser revisado visando a correção daquela inconsistência Seleção de Máquinas e Ferramental Ao projetar-se operações de usinagem, máquinas e ferramental (isto é, dispositivos de fixação de peças, ferramentas e instrumentos de medição) empregados em cada operação são selecionados. A seleção da máquina para uma operação influencia significativamente a precisão de usinagem, a taxa de produção e o custo unitário de cada operação. Para selecionar-se de forma apropriada a máquina, deve-se satisfazer as seguintes condições: (a) A precisão da máquina-ferramenta deve equivaler-se à precisão exigida na usinagem. (b)as dimensões da área de trabalho da máquina-ferramenta devem ser maiores do que as maiores dimensões da peça.

2 96 (c) A máquina deve possuir potência suficiente para executar as operações necessárias. (d)a rigidez da máquina deve se manter ao longo de todo o ciclo de usinagem. (e) A eficiência da máquina deve satisfazer as exigências de produção. (f) As máquinas disponíveis devem ser utilizadas o máximo possível Seleção de Máquinas O uso de máquinas convencionais (p.ex. tornos e fresadoras universais) significa que o operador deve possuir grande experiência, e sua aplicação restringe-se à produção unitária ou em pequenos lotes. Máquinas CNC são particularmente efetivas em produções one-of-a-kind (isto é, tamanho de lote único), e também em pequenos e médios lotes. Dispositivos de fixação de propósito geral, como morsas, placas de três castanhas, etc., devem ser selecionados sempre que possível. Dispositivos específicos são selecionados somente em caso de absoluta necessidade, para obter-se a precisão de usinagem, aumento da taxa de produção, e a redução da mão-de-obra. Quando o volume de produção é pequeno, e há alterações frequentes no produto, dispositivos de fixação específicos tendem a aumentar o tempo de preparação do ferramental e os custos de produção. Dispositivos modulares, como aqueles ilustrados na figura 5.1, são convenientes para prototipagem, e produção one-of-a-kind e pequenos lotes. Eles atuam como fixadores especiais com um tempo de preparação bem mais curto, e portanto resultam num custo mais baixo. Entretanto, eles possuem a desvantagem da baixa rigidez Seleção de Ferramentas A seleção de ferramentas, incluindo tipos, materiais, estruturas e tamanhos, depende bastante dos processos de usinagem, dimensões da superfície a ser usinada, e da precisão de usinagem. Na maioria dos casos, seleciona-se ferramentas padronizadas. Ferramentas especiais ou combinadas devem ser selecionadas somente quando houver uma boa justificativa. Deve-se mencionar que este é um problema complexo, haja vista a proliferação de tipos e quantidades de ferramentas utilizadas na produção, principalmente quando há a presença de máquinas CNC Seleção de Instrumentos de Medição Na seleção de instrumentos de medição, a precisão do instrumento deve equivaler-se às tolerâncias a serem medidas, para que as medidas reflitam a precisão real da peça. O volume de produção deve ser levado em consideração. Numa produção unitária ou em pequenos lotes,

3 97 instrumentos de medição gerais (p.ex. paquímetros, micrômetros) são mais desejados; enquanto em produção em massa ou em grandes lotes, instrumentos como os calibres ilustrados na figura 5.2 são utilizados para aumentar a produtividade. Figura 5.1. Exemplo de dispositivos modulares de fixação

4 98 Figura 5.2. Calibres utilizados na produção em lotes grandes e produção em massa 5.3. Determinação de Sobre-Materiais de Usinagem Sobre-Materiais de Usinagem Um sobre-material de usinagem é uma camada de material que deve ser removida de superfície da peça para que a precisão e a qualidade da superfície sejam obtidas. A quantidade de sobre-material é a diferença entre as cotas de fabricação obtidas nas operações atual e anterior. Chamando o sobre-material de Z i, a cota obtida na operação anterior de L i+1, e a cota obtida pela operação atual de L i, tem-se que o sobre-material é dado por: Z i = L i+1 - L i (superfície externa) Z i = L i - L i+1 (superfície interna) O sobre-material total (incluindo todas as operações) é igual à soma dos sobre-materiais referentes a cada operação, desde a matéria-prima até a peça na forma final, isto é: Z t = n i= 1 Z i onde: Z t = sobre-material total de uma superfície da peça; n = número de operações de usinagem (ou operações elementares) executadas sobre a superfície.

5 99 Note que a cota de fabricação não é um valor fixo. A cada uma destas cotas é associada uma faixa de tolerância δ. Os sobre-materiais de usinagem reais removidos da superfície da peça variam de peça para peça. Aquilo que foi chamado até agora de sobre-material de usinagem na verdade é o valor nominal do sobre-material de usinagem. Na tabela abaixo tem-se o cálculo dos valores deste sobre-material para superfícies externa e interna 1 (ver figura 5.3(a)): Superfície Externa Superfície Interna (Z i ) max = (L i+1 ) max - (L i ) min (Z i ) min = (L i+1) min - (L i ) max (Z i ) max = (L i ) max - (L i+1 ) min (Z i ) min = (L i ) min - (L i+1) max = L i+1 - (L i -δ i ) = (L i+1 - δ i+1 ) - L i = (L i + δ i ) - L i+1 = L i - (L i+1 + δ i+1 ) = (L i+1 - L i ) + δ i = (L i+1 - L i ) - δ i+1 = (L i - L i+1) + δ i = (L i - L i+1 ) - δ i+1 = Z i + δ i = Z i - δ i+1 = Z i + δ i = Z i - δ i+1 Figura 5.3. Sobre-materiais de usinagem nominal, máximo e mínimo Em ambos os casos, a variação no sobre-material é dada por: δ Zi =(Z i ) max -(Z i ) min = δ i +δ i+1 Note que ela é igual à soma das tolerâncias de fabricação das operações atual e anterior. O sobre-material de usinagem para uma superfície cilíndrica é igual à diferença entre diâmetros. Para uma superfície cilíndrica externa, o sobre-material é dado por (ver figura 5.4): 2Z i = L i+1 - L i 1 As tolerâncias de fabricação serão especificadas aqui na direção do material. Isto é, para superfícies externas será indicado o sinal -, e o sinal + para superfícies internas.

6 100 Figura 5.4. Sobre-material no diâmetro Fatores Relacionados ao Sobre-Material de Usinagem A determinação do sobre-material de usinagem influencia significativamente a qualidade da peça a ser fabricada, e a eficiência da produção. Um sobre-material excessivo aumenta o tempo de usinagem e o consumo de energia, e portanto aumenta o custo de produção e uma redução de eficiência da produção. Se o sobre-material for muito pequeno, a rugosidade superficial e a camada superficial defeituosa 1 causada pela operação precedente não será removida completamente, o que causará uma qualidade insatisfatória da superfície da peça. Para determinar de maneira adequada os sobre-materiais, os seguintes fatores devem ser considerados: (a) A qualidade da superfície resultante da operação precedente: A rugosidade superficial e a camada defeituosa são gerados cada vez que uma superfície é usinada. Um propósito genérico de uma operação de usinagem é remover a rugosidade da superfície e a camada defeituosa obtidos na operação precedente, e ao mesmo tempo, aumentar a precisão dimensional e a qualidade da superfície. A rugosidade e os defeitos são gradualmente reduzidos em operações sucessivas de usinagem, até que a precisão exigida e a qualidade sejam atingidas. Esta é a razão pela qual uma elevada precisão, e uma boa qualidade não podem normalmente ser obtidos através de apenas um passe. Para remover completamente da superfície da peça a rugosidade e a camada defeituosa produzidos pela operação precedente, o sobre-material deve ser maior ou igual à soma da altura média das irregularidades e à profundidade da camada defeituosa (figura 5.5). Isto é: Z i R Z i+1 + T i+1 onde: Z i = sobre-material na operação atual; R Z i+1 = altura média das irregularidades resultantes da operação precedente; T i+1 = profundidade da camada superficial defeituosa resultante da operação precedente. 1 Esta camada é devida a fatores como aumento da temperatura devido à usinagem, e também devido às deformações plásticas.

7 101 A magnitude da rugosidade da superfície e da profundidade da camada defeituosa produzidos depende do processo de usinagem. A tabela 5.1 mostra os valores recomendados de R z e T para vários processos de usinagem. Figura 5.5. Sobre-material, rugosidade e profundidade da camada defeituosa (b) Tolerância de fabricação da operação precedente: O sobre-material mínimo de uma superfície depende da tolerância de fabricação da operação precedente, isto é: (Z i ) min = Z i - δ i+1 Para assegurar que o sobre-material remove completamente a rugosidade da superfície e a camada defeituosa produzidos na operação precedente, a tolerância de fabricação da operação precedente também deve ser levada em consideração para determinar-se o sobre-material para a operação atual, isto é: Z i R Z i+1 + T i+1 + δ i+1 onde δ i+1 é a tolerância na direção do material da operação anterior. (c) Precisão posicional da operação precedente: Tolerâncias posicionais como concentricidade e paralelismo da superfície após a operação precedente devem também ser levadas em consideração. Por exemplo, o erro de posição do eixo de rotação de uma superfície cilíndrica ocorrido na operação precedente resulta na não-uniformidade do sobre-material na operação atual (figura 5.6). Considerando-se o erro de posição como sendo a, o sobre-material deverá ser igual a 2a, para assegurar que haverá a remoção completa da rugosidade da superfície e da camada defeituosa. (d) Fixação da peça na operação atual: Este erro decorre da fixação incorreta da peça na máquina, que altera a posição da peça em relação à ferramenta. Portanto, este erro deve ser compensado através do aumento no sobre-material.

8 102 Tabela 5.1: Valores de R z e T para vários processos de usinagem Processo de Usinagem R z (µm) T (µm) Processo de Usinagem R z (µm) T (µm) Torneamento Retificação cilíndrica 1, cilíndrico externo (desbaste) interna Torneamento Retificação plana 1, cilíndrico externo (semi-acabamento) Faceamento (desbaste) Fresamento (desbaste) Faceamento (semiacabamentoacabamento) Fresamento (semi Sangramento Aplainamento (desbaste) Furação Aplainamento (semiacabamento) Rebaixamento Brochamento 1,7-8, (desbaste) Rebaixamento (semiacabamento) Lapidação 0-1,6 3-5 Mandrilamento Super-acabamento 0-0,8 0,2-0,3 (desbaste) Mandrilamento (semiacabamento) Forjamento Alargamento Estiramento a frio (desbaste) Alargamento (semiacabamento) 8, Retificação cilíndrica externa 1, Extrusão Figura 5.6. Influência do erro de posição no sobre-material Métodos para Determinar os Sobre-Materiais de Usinagem Existem diferentes métodos para a determinação de sobre-materiais de usinagem, que são descritos abaixo:

9 103 (a) Cálculo: O sobre-material de usinagem pode ser analisado e calculado, levando-se em consideração todos os fatores acima. Entretanto, devido à ausência de dados experimentais confiáveis, este método é usado apenas em alguns casos. (b) Estimativa baseada na experiência: Na produção unitária ou em pequenos lotes, os sobre-materiais são algumas vezes determinados pelo processista baseado na experiência. Para evitar sobre-materiais insuficientes, que poderão resultar em refugos, estes sobre-materiais são normalmente maiores do que o necessário. (c) Usando-se tabelas de sobre-materiais: Sobre-materiais para várias operações podem ser encontradas em manuais ( handbooks ). Estes manuais são compilados baseado em dados de chãode-fábrica e experimentos. Note que estes dados devem ser utilizados entendendo-se que as condições reais de usinagem podem ser diferentes, e portanto estes dados podem ser revistos. As tabelas 5.2 a 5.7 mostram alguns sobre-materiais para várias superfícies e vários processos. Estes dados nas tabelas são sobre-materiais nominais. Para superfícies simétricas, como cilindros externos e internos, os sobre-materiais correspondem ao diâmetro, enquanto que para superfícies nãosimétricas, elas correspondem ao comprimento. Tabela 5.2. Sobre-materiais para o torneamento de superfícies cilíndricas externas Sobre-material no diâmetro (mm) Tolerância no Diâmetro Torneamento (desbaste) Torneamento (semi-acabamento) Diâmetro (µm) (mm) Comprimento (mm) Comprimento (mm) Torneamento Torneamento 200 > > (limpeza) - IT14 (desbaste) - IT ,5 1,7 0,8 1, > ,5 1,7 1,0 1, > ,0 2,2 1,3 1, > ,0 2,2 1,4 1, > ,3 2,5 1,5 1, > ,5 2,8 1,5 1, > ,5 2,8 1,8 2, > ,8 3,0 2,0 2, > ,0 3,3 2,0 2, Tabela 5.3. Sobre-materiais para a retificação de superfícies cilíndricas externas Sobre-material no diâmetro (mm) Tolerância no diâmetro (µm) Diâmetro (mm) Retificação (desbaste) Retificação (semi-acabamento) Torneamento (semi-acabamento) - IT11 Retificação (desbaste) - IT9 10 0,2 0, > ,2 0, > ,2 0, > ,3 0, > ,3 0, > ,3 0, > ,5 0, > ,5 0, > ,5 0,

10 104 Tabela 5.4. Sobre-materiais para a retificação de furos Sobre-material no diâmetro (mm) Tolerância no diâmetro (µm) Diâmetro (mm) Retificação (desbaste) Retificação (semi-acabamento) Mandrilamento (semi-acabamento) - IT10 Retificação (desbaste) - IT9 > ,2 0, > ,2 0, > ,2 0, > ,3 0, > ,3 0, > ,3 0, Tabela 5.5. Sobre-materiais para o mandrilamento de furos Sobre-material no diâmetro (mm) Tolerância no diâmetro (µm) Diâmetro (mm) Mandrilamento (desbaste) Mandrilamento (semi-acabamento) Furação IT13 Mandrilamento (desbaste) - IT ,8 0, > ,2 0, > ,5 1, > ,0 1, > ,0 1, > ,0 1, Tabela 5.6. Sobre-materiais para o faceamento (semi-acabamento) Comprimento Sobre-material na face a ser faceada (semiacabamento) (mm) Tolerância no faceamento da peça Máxima dimensão da face (desbaste) (µm) (mm) 30 > > IT ,5 0,6 1,0 220 > ,5 0,7 1,0 270 > ,6 1,0 1,2 330 > ,6 1,0 1,2 390 > ,7 1,0 1,3 460 > ,0 1,0 1,3 540 > ,0 1,3 1,5 630 > ,0 1,3 1,5 720 Tabela 5.7. Sobre-materiais para a retificação plana Comprimento Sobre-material na face a ser retificada Tolerância no faceamento (mm) da peça Máxima dimensão da face (semi-acabamento) (µm) (mm) 30 > > IT ,2 0,2 0,3 90 > ,2 0,3 0,3 110 > ,2 0,3 0,3 130 > ,2 0,3 0,3 160 > ,3 0,3 0,4 190 > ,3 0,4 0,5 220 > ,3 0,4 0,5 250 > ,3 0,5 0,5 290

11 Determinação de Cotas e Tolerâncias de Fabricação Cada cota e tolerância de projeto é obtida através de uma série de operações de usinagem. Em cada operação, a superfície da peça é usinada até que se atinja uma certa cota e precisão de fabricação. A cota e tolerância de fabricação devem ser indicadas no plano de operações, como instrução para o operador. Isto é especialmente necessário em produção em massa, em lotes grandes, e em peças de precisão Determinação da Cota e Tolerância de Fabricação de uma Superfície A cota e tolerância de fabricação de uma superfície (p.ex. superfície cilíndrica) na sua operação final de usinagem é determinada geralmente com base na cota e tolerância de projeto desta superfície. Por outro lado, a determinação das cotas de fabricação de outras operações de usinagem relaciona-se com os sobre-materiais de usinagem. Os sobre-materiais são determinados em ordem inversa, isto é, da peça acabada até a matéria-prima. A figura 5.7 ilustra a relação entre as cotas de fabricação e sobre-materiais de usinagem de uma superfície plana externa. L 1 é a cota de fabricação da última operação de usinagem; L 2, L 3 e L 4 são cotas de fabricação das operações de usinagem intermediárias; L 5 é a dimensão da matéria-prima. Pode-se ver nesta figura que para uma superfície plana externa, a cota de fabricação da operação anterior é igual à soma da cota de fabricação e o sobre-material da operação atual, isto é: L 2 = L 1 + Z 1 L 3 = L 2 + Z 2 = L 1 + Z 1 + Z 2 L 4 = L 3 + Z 3 = L 1 + Z 1 + Z 2 + Z 3 L 5 = L 4 + Z 4 = L 1 + Z 1 + Z 2 + Z 3 + Z 4 Figura 5.7. Determinação das cotas de fabricação de uma superfície plana externa

12 106 Ao calcular-se as cotas de fabricação, deve-se diferenciar as superfícies externas das internas, e também as superfícies planas das cilíndricas. A determinação da tolerância de fabricação depende do processo de usinagem empregado. Normalmente a tolerância de fabricação na última operação de usinagem é determinada em conformidade com a tolerância especificada no desenho da peça, se não houver razão para reduzi-la. Todas as tolerâncias de fabricação nas operações intermediárias são determinadas de acordo com a precisão de usinagem que pode ser obtida economicamente. É muito importante que se determine as tolerâncias de fabricação de forma adequada. Se uma tolerância de fabricação é muito apertada, um processo de usinagem mais preciso (e portanto mais caro) será necessário. Se ela for muito larga, isto resultará numa tolerância maior no sobre-material na próxima operação. Isto possivelmente dificultará que se atinja a precisão de usinagem e a qualidade da superfície naquela operação. Por exemplo, a cota e tolerância de fabricação em cada uma das operações de usinagem do furo de diâmetro ,022 (superfície 5) da peça ilustrada na figura 4.3 são mostradas na tabela 5.8. Tabela 5.8. Determinação das cotas e tolerâncias de fabricação para operações de usinagem para o furo de diâmetro ,022 da peça da figura 4.3. Processo de usinagem Sobrematerial (mm) Cota de fabricação (mm) Tolerância de fabricação (mm) Tabela Retificação (semi-acabamento) 0, , Retificação (desbaste) 0,3 119,8 +0, Mandrilamento (semi-acabamento) 1,3 119,5 +0, Mandrilamento (desbaste) 2,0 118,2 +0, Matéria-prima 116, Determinação das Cotas e Tolerâncias de Apoio Os princípios mencionados acima podem também ser usados para determinar-se as cotas e tolerâncias de apoio. Entretanto, frequentemente é bem mais complicado determinar-se as cotas e tolerâncias de apoio entre superfícies do que determinar-se as cotas e tolerâncias das próprias superfícies. A razão é que a cota e tolerância de apoio numa operação depende não somente do processo de usinagem e do sobre-material, mas também de qual superfície ela é dimensionada. Quando uma superfície exige várias operações, sua referência de fabricação muda várias vezes. Portanto, deve-se levar este fato em consideração ao determinar-se tolerâncias de fabricação. Para determinar-se as cotas e tolerâncias de fabricação numa operação, deve-se ter em mente os seguintes pontos:

13 107 (a) As cotas e tolerâncias finais devem satisfazer todas as cotas e tolerâncias de projeto; (b)um sobre-material apropriado deve ser selecionado para cada operação (especialmente para o acabamento), nem tão grande nem tão pequeno; (c) A tolerância de fabricação de cada operação deve equivaler-se à precisão de usinagem que pode ser obtida economicamente pelo processo de usinagem escolhido para a operação. Os princípios de seleção de referências de fabricação devem ser seguidos para determinar-se as cotas e tolerâncias de apoio para as operações finais de usinagem (ver Capítulo 3). A seleção da referência de fabricação para uma operação intermediária também depende das relações entre a cota de fabricação atual e a anterior. Com vistas a obter o melhor resultado, a determinação das cotas e tolerâncias de apoio devem ser combinadas com a seleção de referências de fabricação. Para ilustrar, um exemplo simples é dado abaixo. A Figura 5.8 ilustra o desenho de uma peça simples, e três planos alternativos das operações de semi-acabamento e acabamento. Pode-se notar que o roteamento do processo e cotas são diferentes. Daqui em diante estes três planos serão comparados através das suas cotas e tolerâncias de apoio. PLANO DE PROCESSO 1: No plano 1, as cotas de fabricação L 3 (na OP 20) e L 4 (na OP 25) são cotais finais. Como as referências de fabricação das superfícies usinadas 3 e 2 coincidem com as referências de projeto, as cotas e tolerâncias de projeto podem ser tomadas diretamente como cotas e tolerâncias de fabricação, isto é: L 4 = 25-0,13 L 3 = 80-0,2 L 1 e L 2 são cotas de fabricação da operação OP 15. Para determinar L 1 e L 2, os sobre-materiais para a OP 20 e OP 25 devem ser levados em consideração. Os sobre-materiais para o faceamento (semi-acabamento) da superfície 3 na OP 20 é dado por Z 3 = 1,0mm (tabela 5.6), e para a retificação da superfície 2 na OP 25 é dado por Z 4 = 0,3mm (tabela 5.7). As tolerâncias de fabricação para a operação de faceamento (semi-acabamento) das superfícies 1 e 2 são -0,19mm (para L=80mm e IT11) e -0,13mm (paral=25mm e IT11), respectivamente. Portanto: L 2 = L 4 + Z 3 + Z 4 = ,0 + 0,3 = 26,3-0,13 mm L 1 = L 3 + Z 3 = ,0 = 81,0-0,19 mm Entretanto, as superfícies em ambas as extremidades de L 2 serão usinadas em operações posteriores. O sobre-material nominal Z 4 para a operação final da superfície 2 será afetado pelas tolerâncias das cotas de fabricação destas operações, bem como pela tolerância de L 2. Para determinar o sobre-material nominal para a superfície 2, são feitos os cálculos abaixo de cadeias de dimensões:

14 , ,2 No da operação Plano de Processo 1 Operação Superfície elementar sendo usinada Referência de fabricação Cota OP 15 Faceamento(sa) 1 3 L 1 Faceamento(sa) 2 3 L 2 Virar Peça OP 20 Faceamento(sa) 3 1 L 3 OP 25 Retificação 2 3 L 4 Z 3 L 2 L 4 Z 4 Z 2 L 1 L3 Z 1 No da operação Plano de Processo 2 Operação Superfície elementar sendo usinada Referência de fabricação Cota OP 15 Faceamento(sa) 1 3 L 1 Faceamento(sa) 2 3 L 2 Virar Peça OP 20 Faceamento(sa) 3 2 L 3 OP 25 Retificação 2 3 L 4 Z 3 L 2 L 3 L 4 Z 4 L 1 No da operação Plano de Processo 3 Operação Superfície elementar sendo usinada Referência de fabricação Cota OP 15 Faceamento(sa) 3 1 L 1 Virar Peça OP 20 Faceamento(sa) 1 3 L 2 Faceamento(sa) 2 3 L 3 OP 25 Retificação 2 3 L 4 L 3 L 4 Z 4 L 1 L 2 Z 2 Figura 5.8. Exemplo ilustrando a determinação das cotas e tolerâncias de apoio

15 109 Pode-se notar que nos desenhos referentes ao plano 1, o sobre-material da retificação Z 4 e as cotas L 1, L 2, L 3 e L 4 compõem uma cadeia de dimensões. Z 4 é a cota condição, enquanto L 2 e L 4 são cotas comuns, e L 1 e L 3 são cotas a serem criadas. Pode-se obter então que: Z + 0, 32 4 = 0, 3 0, 33 mm Percebe-se que neste caso o sobre-material poderá não ser suficiente para a retificação da superfície 2 (isto é, (Z 4 ) min = -0,03). Este problema pode ser resolvido através das seguintes maneiras: (a) Pode-se controlar a variação do sobre-material Z 4 através da redução das tolerâncias de uma ou mais cotas na cadeia de dimensões. Para este exemplo, as tolerâncias de L 2 e L 3 devem ser reduzidas para aumentar o desvio inferior de Z 4. Entretanto, este método pode ser usado somente quando as tolerâncias são suficientemente grandes comparadas com a precisão que pode ser economicamente obtida. Senão, estas operações serão executadas com dificuldade e tornar-se-ão não-econômicas. (b) Pode-se aumentar o valor nominal de Z 4. Por exemplo, se Z 4 for aumentado de 0,3mm para 0,4mm, então: Z + 0, 32 4 = 0, 4 0, 33 mm Neste caso, a cota de fabricação L 2 deve ser alterada também: L 2 = L 4 + Z 3 + Z 4 = ,0 + 0,4 = 26,4-0,13 mm PLANO DE PROCESSO 2: A operação OP 20 no plano 2 é dimensionada diferentemente do plano 1. Pode-se notar da cadeia de dimensões que o sobre-material Z 4 para a operação final da superfície 2 depende somente das cotas L 3 e L 4. Como L 3 = ,3 = 25,3-0,13 mm L 4 = 25-0,13 mm então Z + 0, 13 4 = 0, 3 0, 13 mm É evidente que o sobre-material suficiente para a última operação da superfície 2 pode ser assegurada mesmo no pior caso. Entretanto, a cota 80-0,2 mm especificada no desenho da peça deve ser obtida indiretamente no plano 2, que é a cota condição na cadeia de dimensões composta pelas cotas L 1, L 2, L 3 e 80-0,2. Se L 1 = ,0 = 81-0,19 mm L 2 = ,0 + 0,3 = 26,3-0,13 mm então a faixa de tolerâncias da cota condição será de 0,45mm, que é bem maior do que a tolerância especificada (0,2mm).

16 110 Para assegurar a precisão da cota 80-0,2, as tolerâncias das cotas L 1, L 2 e L 3 devem ser reduzidas, para que a soma total das tolerâncias de L 1, L 2 e L 3 seja menor ou igual a 0,2mm. Isto tornaria as operações de torneamamento não-econômicas. PLANO DE PROCESSO 3: Se uma rota de processo diferente é adotada, como ilustrado no plano 3, então tanto o sobrematerial da última operação, quanto as tolerâncias das operações de torneamento podem ser mantidas as mesmas. Isto ocorre porque todas as cotas de projeto são obtidas diretamente no processo, como resultado da coincidência entre as referências de fabricação e de projeto. A discussão acima revela que a determinação das cotas e tolerâncias de apoio baseia-se não somente nos sobre-materiais de usinagem, mas também na seleção de referências de fabricação bem como no planejamento do roteamento Determinação de Condições de Usinagem A determinação de condições de usinagem influencia significativamente a precisão e a eficiência de usinagem, a qualidade da superfície, a vida da ferramenta, etc. Ela é especialmente importante na produção em massa e em grandes lotes, e em operações executadas em máquinas automáticas, e máquinas de comando numérico. Em operações onde peças de elevada qualidade superficial são fabricadas, as condições de usinagem devem ser cuidadosamente controladas. As condições de usinagem podem ser obtidas através de handbooks ou catálogos de fabricantes de ferramentas, ou então através de um método chamado aqui de sequencial. No caso da utilização de handbooks ou catálogos de fabricantes de ferramentas, o leitor seleciona as condições de corte para uma dada combinação de materiais de peça e ferramenta. Ele/ela também pode selecionar a geometria da ferramenta, através destes catálogos. O método sequencial consiste na determinação, numa ordem definida, das condições de corte. Primeiramente, a profundidade de corte a p é estabelecida. Se o sobre-material puder ser removido num único passe, a profundidade de corte será igual ao sobre-material. A profundidade de corte, em operações de desbaste, é restringida pela potência da máquina, pela rigidez da peça, pelo método de fixação, etc. Algumas vezes, pode ser necessário remover o sobre-material em vários passes, reduzindo-se portanto a profundidade de corte. No caso de operações de semi-acabamento e acabamento, a usinagem é feita em geral num único passe. A próxima variável a ser selecionada é o avanço f, que depende da capacidade da máquina para executar operações de desbaste, e também do acabamento superficial para as operações de acabamento e semi-acabamento. O valor numérico real do avanço deve ser selecionado dentre aqueles disponíveis na máquina (no caso de máquina convencional).

17 111 Após selecionar-se a p e f, a velocidade de corte pode ser determinada através da Equação expandida de Taylor, que é uma fórmula advinda da teoria da usinagem dos metais. Tal fórmula é ilustrada abaixo: V c Cv = n a f 1 n2 p onde: C v = uma constante que depende do material da peça, do material e geometria da ferramenta, do fluido de corte, etc. n 1, n 2 = expoentes que dependem do material da peça, do material da ferramenta e das condições de corte. Depois que a profundidade de corte a p, o avanço f e a velocidade de corte V c forem determinadas, o próximo passo é checar se a potência necessária para a usinagem não excede a potência disponível na máquina, principalmente para operações de desbaste. Para máquinas com múltiplas ferramentas, o método de seleção das condições de corte é o mesmo. Entretanto, se as condições de corte a p, f e V c são determinadas estritamente como indicado acima, o tempo de usinagem de uma das ferramentas possivelmente será mais longo do que os outros tempos. Isto resulta num ciclo mais longo de usinagem do que o necessário. Portanto, neste caso as condições de corte são determinadas com base na ferramenta gargalo (isto é, aquela à qual corresponde o tempo mais longo de usinagem). Quando operações são executadas em máquinas do tipo múltiplas estações, devem ser feitos esforços no sentido de manter o tempo de usinagem em cada estação o mais próximo possível. O balanceamento do tempo pode ser alcançado reduzindo-se o percurso de transporte, e também modificando-se as condições de corte para algumas ferramentas. A ordem de seleção das condições de corte para ferramentas abrasivas é diferente daquela mencionada acima. Por exemplo, para operações de retificação cilíndrica externa, a velocidade de corte deve ser selecionada primeiro. Depois, os avanços (circular e longitudinal) da peça são selecionados, e finalmente seleciona-se a profundidade de corte. O fluido de corte, que também é uma condição de usinagem, é utilizado para reduzir as forças (lubrificação) e temperatura (refrigeração) de corte, e melhorar a qualidade superficial Estimativa de Tempos Padrões A fase final do planejamento do processo consiste em estabelecer o tempo padrão para cada operação. Os tempos padrões num plano de processo fornecem os dados iniciais para o escalonamento da produção, escalonamento de pessoal, e cálculo de custos. O tempo padrão é o tempo necessário para executar uma tarefa bem definida (p.ex. uma operação) sob certas condições.

18 112 Ele deve refletir os avanços na tecnologia de manufatura e também a experiência obtida pelo operador e pessoal de engenharia. Um tempo padrão unitário é composto pelo tempo de preparação ( setup ), tempo de processamento, tempo de manuseio, tempo de serviço e tempo de compensação. (a) Tempo de preparação ( setup ): O tempo de preparação t su inclui todos os tempos necessários para preparar uma máquina para a tarefa. Isto inclui os tempos para estudar o desenho da peça, o plano de operações, para obter os dispositivos de fixação e ferramentas, para instalar o ferramental, para ajustar a máquina e o ferramental, para inspecionar a matéria-prima, bem como terminar a tarefa (desmontar e retornar os dispositivos de fixação e ferramentas, e levar o lote de peças para o inspetor). O tempo de preparação é calculado sobre um lote de n peças. A contribuição de cada peça é t su /n. Uma das parcelas que compõem o tempo de preparação é o tempo de ajuste (setup) de ferramentas. Se uma só ferramenta está sendo usada numa operação, a determinação do tempo de mudança desta ferramenta por peça é simples. Quando mais de uma ferramenta é utilizada (p.ex. aquelas usadas num torno revólver), o cálculo torna-se um pouco mais complicado, e uma estimativa relativamente precisa para os casos mais práticos pode ser feita como descrito abaixo. Seja: C = tempo total de usinagem por peça (min) M = tempo de vida médio por ferramenta (min) N = número de ferramentas numa preparação t = tempo médio de resetagem de uma ferramenta (min) Então, assumindo que as ferramentas operem consecutivamente, tem-se: tempo de vida médio da ferramenta = M x N (min) Além disso: número de peças para um conjunto completo de mudanças de ferramenta = M x N C tempo/peça/ferramenta = C x t (min) MxN Portanto: tempo/peça para N ferramentas = C x t (min) M Isto pode ser extendido para cobrir operações de usinagem onde efetua-se uma combinação de ferramentas, p.ex. num torno revólver a utilização de um joelho para a fixação de diversas ferramentas. Seja N 1 = número de operações envolvendo o uso de ferramentas; N 2 = número total de ferramentas usadas. Então:

19 113 tempo de ferramenta/peça = C x t x N2 M x N 1 (b) Tempo de usinagem: O tempo de usinagem t u é o tempo em que a ferramenta está realmente em contato com a peça. Isto é, para uma operação de usinagem, o tempo de usinagem inicia-se quando a ferramenta toca a peça e termina quando ela se afasta da peça. Ele pode ser calculado de acordo com o tipo de processo de usinagem, com o tamanho e material da peça, com a geometria e o material da ferramenta, e as condições de corte selecionadas. Esta é a única parcela do tempo padrão que pode ser determinada de forma direta, enquanto as outras parcelas dependem de muitos fatores subjetivos, como o grau de habilidade do operador. Em vista disso, estes últimos não podem ser determinados diretamente. No Apêndice IX é ilustrado o cálculo de tempos de processamento para alguns processos de usinagem. (c) Tempo de manuseio: O tempo de manuseio t m é o tempo necessário pelo operador para manusear a peça, que relaciona-se diretamente ao tempo de processamento. O tempo de manuseio é composto pelo carregamento, descarregamento, fixação e retirada da peça, iníciar e parada da máquina, inspeção de dimensões, alteração dos avanços e velocidades, etc. O tempo de manuseio pode ser estimado baseado na experiência, ou através do estudo de tempos e movimentos, levando em consideração o peso da peça, tamanho da máquina, tipo de ferramenta e fixação da peça à máquina. Alguns destes valores são dados nas tabelas 5.9 e Tabela 5.9. Tempos de manuseio para um torno paralelo de 350mm de barramento Elemento Carregar/descarregar peça entre pontas com placa de arraste Carregar/descarregar na placa de três castanhas Peso = 1kg Peso = 2kg Peso = 4kg Peso = 8kg Peso = 1kg Peso = 2kg Peso = 4kg Tempo (min) 0,33 0,50 0,67 0,83 0,50 0,67 0,83 1,00 Peso = 8kg Ligar/desligar árvore 0,03 Reverter árvore 0,03 Mudar velocidade 0,05 Mudar avanço 0,07 Engatar/desengatar avanço 0,02 Aproximar ferramenta, retornar (torneamento cilíndrico externo) 0,05 Aproximar ferramenta, retornar (torneamento cilíndrico interno) 0,08 Movimentar o carro porta-ferramenta (100mm) 0,1 Fixar/retirar ferramenta no cabeçote móvel 0,17 Aproximar/afastar cabeçote móvel 0,25

20 114 Tabela Tempos de manuseio para uma fresadora horizontal (mesa 250 x 1250mm) Elemento Tempo (min) Ligar/desligar árvore 0,05 Engatar/desengatar avanço 0,07 Mudar velocidade de rotação da árvore 0,1 Mudar avanço 0,08 Aproximar peça da fresa até atingir correta posição da mesa 0,2 Movimentar mesa (100mm, sentido longitudinal) 0,1 Movimentar mesa (100mm, sentido transversal) 0,2 Movimentar mesa (100mm, sentido vertical) 0,6 Definindo-se tempo de processamento t p como sendo a soma dos tempos de manuseio e usinagem, pode-se concluir que, em lotes pequenos, o tempo de manuseio é normalmente mais elevado do que o tempo de usinagem. Entretanto, para produção em grandes lotes, a proporção maior do tempo de processamento deve corresponder ao tempo de usinagem, com o tempo de manuseio reduzido ao mínimo. Caso contrário, o processo de usinagem deve ser re-examinado visando encontrar uma maneira mais barata de efetuar a tarefa. (d) Tempo de serviço: O tempo de serviço t s é o tempo que o operador passa no cuidado da área em torno da máquina (ou área de trabalho). O propósito é manter a área de trabalho em boas condições ao longo de todo o período de usinagem. O tempo de serviço é composto pelo tempo de manutenção (mudança e ajuste das ferramentas, dressagem de rebolos, reajuste da máquina, etc.), e para manutanção organizacional (retirada dos cavacos, inspeção, lubrificação e limpeza da máquina, etc.). Normalmente o tempo de serviço é estimado como uma fração do tempo de usinagem e tempo de manuseio. (e) Tempo de compensação: O tempo de compensação t c corresponde ao tempo de conveniência e descanso do operador (p.ex. fadiga devido ao serviço). Também é estimado como uma fração dos tempos de usinagem e de manuseio. Um dos meios de estimar-se o tempo de compensação é através do uso de gráficos, como as curvas de Merrick (figura 5.9), que indicam a porcentagem a ser adicionada aos tempos de manuseio para efeito de compensação do operador. Se o tempo de processamento for de 15 min, dos quais 3,15 min é devido ao tempo de manuseio e o restante de usinagem, o tempo de compensação pode ser obtido das curvas de Merrick ilustradas na figura 5.9, como se segue: t p = t m + t u tempo de manuseio como uma porcentagem do tempo de processamento = 3,15/15 x 100 = 21% portanto a curva de 20% é usada.

21 115 Figura 5.9. Curvas de Merrick para a determinação de tempos de compensação Do gráfico, para um tempo de manuseio de 3,15 min, a compensação do operador aumenta o tempo de manuseio em 43%. Então: tempo de compensação = 3,15 x 43/100 = 1,35min isto é: O tempo unitário de operação t o é a soma total de todos os elementos de tempo discutidos acima, t o = tsu + tu + tm + ts + tc n Esta fórmula é usada para determinar-se os tempos padrões para operações de produção em lote. Na produção em grandes lotes ou em massa, como cada área de trabalho é preparada para executar uma operação definida, o tempo de preparação não é levado em consideração. Portanto, a fórmula torna-se: t o = tu + tm + ts + tc