Uma Ferramenta para Colaborar com o Projetista no Projeto de Peças Fundidas em Areia

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1 Uma Ferramenta para Colaborar com o Projetista no Projeto de Peças Fundidas em Areia Alex S. Silva 1, Durval U. Braga 1, Frederico O. Neves 1, Vania R. Silva 1 (1) Universidade Federal de São João Del Rei UFSJ, Departamento de Engenharia Mecânica, São João Del Rei, MG (Brasil) (achaves@ufsj.edu.br) RESUMO O propósito deste trabalho de pesquisa é contribuir com o projetista na fase de projeto com orientações de como evitar defeitos no processo de manufatura de peças fundidas em areia. Este auxílio é obtido através de bases de dados/ conhecimento (metodologia desenvolvida que possibilitou a sistematização do conhecimento na forma de guia) que contenham regras do conhecimento técnico da área de fundição e através de um programa (sistema de auxílio ao projetista no projeto de peças fundidas). Este foi desenvolvido para fazer a integração entre a técnica DFM- Design For Manufacturing e programas CAD (PRO-E). Como produto, sistematizouse as orientações de projeto de peças fundidas usando o programa que fez a integração entre uma ferramenta CAD e a base de conhecimento de modo a auxiliar o projetista na fase de desenvolvimento do projeto do fundido. Os resultados que está pesquisa trouxe foi a integração do conhecimento e um programa computacional que seja capaz de analisar uma peça, desenhada em um sistema CAD (PRO-E) e baseado em um conjunto de regras (sistematização) específicas para o processo de fundição em areia, detectar possíveis violações quanto a aspectos relacionados com a geometria da peça e a manufatura do fundido ainda na fase de desenho. INTRODUÇÃO O processo de fundição em areia consiste de algumas etapas como, por exemplo, fabricar moldes, preparar e fundir metais, vazar o metal dentro do molde, limpar as peças e recuperar a areia para reutilização. Porém muitas vezes no decorrer destas etapas podem surgir defeitos na peça acabada e que normalmente são detectadas pelo controle de qualidade, sendo assim requeridas mudanças no projeto, acarretando custos. Na forma convencional o projetista encaminha um desenho para o setor de fundição que, normalmente, sugere algumas modificações a fim de facilitar a sua fabricação e minimizar seu custo (Sarh, 2009). Uma vez aceitas estas modificações, inicia-se a confecção dos modelos e caixas de machos e, posteriormente, a confecção das peças para testes. Se houver problemas, as peças são modificadas, bem como os respectivos modelos e caixas de machos. Nesta forma utilizada, o desenvolvimento é realizado e só depois do produto acabado, consegue-se detectar possíveis falhas (Lima, 2011). Para se evitar essa rotina, propõe-se utilizar o conhecimento do Projeto Voltado para a Manufatura DFM. O DFM tem por objetivo a integração entre processo e o projeto do produto, utilizando conhecimentos e regras para otimizar o sistema de manufatura no sentido de aumentar a qualidade, diminuir os custos e proceder entrega de produtos com rapidez (Meerkamm, 2011). O propósito deste trabalho de pesquisa é fazer a integração do conhecimento e um programa computacional que seja capaz de analisar uma peça, desenhada em um sistema CAD (PRO-E) e

2 baseado em um conjunto de regras (sistematização) específicas para o processo de fundição em areia, detectar possíveis violações quanto a aspectos relacionados com a geometria da peça e a manufatura do fundido ainda na fase de desenho. METODOLOGIA A metodologia de auxílio ao projetista no processo de moldagem de peças fundidas baseia-se na sistematização do conhecimento sobre processo de moldagem de peças fundidas em areia. Para sistematizar o conhecimento foi necessário: reunir o conhecimento sobre o processo de fundição em areia; analisar e interpretar esse conhecimento, colocando à disposição do projetista no desenvolvimento do projeto do modelo no processo de moldagem; agrupar o conhecimento, essencial ao projetista, através da técnica de DFM; sistematizar as orientações de projeto de modo a formar um guia voltado para moldagem de peças fundidas. A estrutura para o desenvolvimento do trabalho é composta: pela utilização da técnica DFM; de uma base de conhecimento para cada informação requerida (poderá ser atualizada); e da conscientização dos usuários na importância de se projetar visando a manufatura (redução de custos). Métodos Sete fases foram utilizadas para implementar este trabalho: Coleta das Regras (Orientações) Existem regras para se projetar um modelo de um fundido no processo de moldagem. Por exemplo, deve-se prever a contração linear do metal no processo de solidificação, ou seja, o modelo deverá ser maior que o produto acabado. Foi necessário coletar as regras e as orientações apresentadas em artigos, Handbook, revistas, etc.. Desenvolvimento da Sistematização As orientações foram classificadas e agrupadas dentro de quatro categorias, conforme pode ser visto na figura 2 (recomendações de projeto para geometria da peça). Qualificação dos Recursos Humanos A fase de obtenção das informações começa com o grupo de pessoas das principais áreas de uma fundição. Elas são formadas pelo pessoal do controle de areia, da modelação, da metalurgia e de sistemas de canais e massalotes. Aspectos Relevantes na Obtenção de uma Informação O projeto adequado de um modelo no processo de moldagem depende: a) das informações obtidas de especialistas (por quem entende); b) das regras (DFM); c) das descrições das regras (checar); d) das possíveis informações técnicas e humanas;

3 e) da constituição de uma equipe com os responsáveis de cada área, a fim de se obter orientações de como projetar um fundido visando uma fácil modelagem. Projeto Voltado para a Modelagem de uma Peça Fundida O DFM focou as orientações mais efetivas na moldagem de uma peça fundida em areia. São elas: Geometria do Fundido (retirada do molde, contração do metal, sobremetal de usinagem e marcação) e confecção do Fundido (modelo-escolha: tipo/material- função de cores pintadas) (American Foundrymen Society,1992). Estruturação dos Procedimentos a Serem Adotados Determinar as regras imprescindíveis a uma fácil moldagem; identificar as possíveis regras pela classificação e exibição, de forma a sistematizar o conhecimento; analisar o processo, examinando todos os fatores que podem facilitar a moldagem. Aplicação da sistematização do conhecimento no programa SEMF O sistema é constituído de atividades conforme mostradas na figura 1. A seguir serão detalhados os procedimentos desenvolvimentos para a implementação das atividades. O sistema proposto inicia-se com o projeto de uma peça fundida em areia utilizando o programa (PRO-E). Este sistema é formado por sete procedimentos: Figura 1. Atividades do SEMF

4 - determina o trail (trail- são os passos que o PRO-E utiliza para desenhar a peça) mais atual; - lê o trail mais atual e armazena na memória RAM (Micro) faz o reconhecimento das features [features - são as características da peça: sólido (solid), corte (cut) e Furo (hole)] desenhadas no PRO-E; - arquiva features (reconhecidas) na memória RAM, formando banco de dados texto APD/LR [APD- Árvore Principal de Dados/LR- Lista de Referência; são usadas para armazenar informações geométricas de forma hierárquica de modo a verificar se a regra (base de conhecimento) foi violada]; - verifica feature através do sexto procedimento; - utiliza a base de conhecimento para verificar as features; - utiliza o resultado da verificação e diz se aquela feature analisada sofre ou não violação quanto a regra verificada. RESULTADOS Auxílio ao projetista O auxílio ao projetista foi obtido através da sistematização do conhecimento que resultou num roteiro que descreve uma seqüência de recomendações de projeto. Esta sistematização foi desenvolvida após verificar as necessidades básicas das informações do projetista no processo de desenvolvimento do produto (moldagem). Inicialmente as necessidades básicas foram classificadas ou separadas em dois ítens denominados, respectivamente, processo de fundição em areia e recomendações de projeto para o fundido. Parte da sistematização do conhecimento sobre os processos de fundição está ilustrada na figura 3, onde cada subdivisão contém bases de conhecimento sobre os respectivos assuntos. Observa-se nesta que as recomendações de projeto para a geometria da peça estão subdivididas segundo as informações referentes a: parede, features (características), facilidade de usinagem, traçado correto (moldagem), tolerância e rugosidade e concordância da forma com o tipo de solicitação, onde estas orientações estão contidas na base de conhecimento formada. A geometria da peça tem seis subdivisões. A primeira subdivisão trata da geometria da parede da peça que engloba informações sobre a concordância entre paredes em prolongamento, e espessura. A concordância entre paredes pode ter diferentes formas tais como, concordância em L, T, Y e Cruz; traçado da peça visando a produção em grandes séries, para uma conexão em forma de T. Através das informações sobre concordância entre paredes o projetista pode reduzir as concentrações de tensões e o acúmulo de metal na parede da peça. Um exemplo do conteúdo colocado na base de conhecimento é sobre a concordância entre paredes para uma peça em forma em L a ser fundida em areia. Esta base de conhecimento contém informações sobre o valor do raio de concordância para evitar a concentração de tensão. A segunda subdivisão da geometria da peça trata das features (características) que englobam orientações sobre furos, rebaixos, insertos e nervuras. Os furos obtidos na geometria da peça podem ser feitos no processo de fundição através da colocação de machos nos moldes ou usinados depois da peça pronta (Ziewers, 2008). Recomenda-se furar a peça depois de pronta quando o diâmetro do furo for inferior a 19mm (Bralla, 1986). Um exemplo para o diâmetro mínimo

5 do macho é ilustrado na base de conhecimento. Estas orientações apresentadas nesta base servem de guia nas dimensões mínimas de furos, para o processo de fundição em areia. A terceira subdivisão da geometria da peça trata da facilidade de usinagem e engloba orientações sobre redução de operações de aplainamento, torneamento e fresamento; saída da ferramenta e de como prever a furação. Um exemplo de orientação para redução das operações de torneamento é que a geometria da peça deve ter faces de assentamento situados no mesmo lado e as superfícies a serem usinadas devem ter a mesma altura, para que a usinagem seja possível com uma única fixação da peça e sem alterar a ajustagem da ferramenta. A quarta subdivisão trata do traçado correto da geometria da peça visando moldagem, usinagem, minimização das tensões internas e deformações; acabamento da peça; eliminação de rechupes, fendas, vazios e inclusões. Estas informações técnicas, certamente, auxiliam o projetista na adequação de projetos de peças a serem obtidas por fundição. Alguns defeitos de fundição podem ser causados pelo traçado inadequado da peça. O traçado inadequado pode trazer problemas como fixação inadequada do macho, enchimento da cavidade com metal líquido de maneira irregular e dificuldade na saída dos gases do macho. A solução destes problemas é conseguida através do traçado correto. A quinta subdivisão trata da rugosidade superficial e tolerância dimensional. A base de conhecimento inclui dados médios quanto às tolerâncias dimensionais ou rugosidade superficial que podem ser obtidas com peças produzidas pelos processos de fundição (areia, molde permanente, sob pressão). O processo de fundição em areia presta-se melhor à produção de peças dentro de tolerâncias mais abertas, quando comparado com os processos de fundição em molde permanente ou sob pressão. Os processos de fundição em molde permanente ou sob pressão são especialmente indicados para produção de peças de maior precisão. A sexta e última subdivisão trata da concordância da forma com o tipo de solicitação. Um dos exemplos apresentados na base de conhecimento ilustra uma peça sujeita à flexão, onde a solução apresentada é concentrar mais material no lado tracionado da peça. Programa SEMF Na figura 3 mostra-se a janela principal do SEMF. Com as principais informações e opções disponíveis ao usuário. Um exemplo de opções disponível ao usuário é o Guia Regras Qualitativas (contém a sistematização do conhecimento). O sistema fornece diversas regras qualitativas e quantitativas sobre a geometria e o processo de fundição que o usuário pode acessar, obtendo informações adicionais. Ao clicar na figura 4 em um dos textos (Fundido ou Geometria), ou na área dentro do retângulo do SEMF abre-se uma janela com o navegador de internet com as orientações. Essa janela permite acessar o guia do SEMF. Bastando selecionar uma das duas opções (Fundido ou Geometria), para acessar as informações existentes na base de conhecimento. O sistema permite, nesta opção, importar textos e figuras de sites, relacionados com a área de fundição, objetivando aumentar a base de conhecimento.

6 Para adicionar as regras (conhecimento), o usuário deve seguir três passos: 1 0 Passo: digitar o texto (regra) no word, ou seja criar o arquivo; 2 0 Passo: salvar o texto em HTML, no diretório do SEMF (Guia); 3 0 Passo: criar o Hiperlink, ou seja vincular o arquivo com geometria ou fundido. Forma em L Forma em T Concordância entre paredes Forma em V Parede Concordância em Prolongamento Forma em Y Forma em Cruz Espessura Traçado p/ Peças Produzidas em Série Feature (Características) Furo Traçado p/conexão em Forma T Geometria da Rebaixo Inserto Nervura Mínima Aplainamento Regularidade Peça Facilidade de Usinagem Redução das operações Saída da Ferramenta Prevendo a Furação Torneamento Fresamento Evitar Vazios e Inclusões Moldagem Traçado Correto Visando Usinagem Exemplo de Aplicação Tolerância e Rugosidade Concordância da Forma com o Tipo de Solicitação Rugosidade Superficial Tolerância Dimensional Figura 2. Recomendações de projeto para a geometria da peça Minimizar as Tensões Internas e Deformação Acabamento da Peça Evitar Rechupes e Fendas Suponha que o projetista esteja desenhando no programa CAD/PRO-E (Parametric Technology Corporation,1998) a geometria requerida do fundido, conforme mostrado na figura 3. Sabe-se que o projeto de um fundido requer conhecimentos (orientações/regras/dfm) em diversas áreas tais como: moldagem, modelagem, fusão, vazamento, desmoldagem etc. e possíveis falhas podem surgir no processo de manufatura devido ao não conhecimento destas fases. Um exemplo de aplicação seria verificar a geometria da peça (fundido) construída no CAD/PRO-E visando o processo de moldagem. Esta checagem poderia ser, por exemplo, a espessura mínima de parede deixada entre o furo e a parede do solido.

7 Figura 3 Desenho do fundido no CAD (PRO-E) Pode-se observar na figura 5, que a tela do SEMF possui diversas funções que o usuário pode checar numa peça construída no CAD/PRO-E (features- características que constitui a peça). Através da opção (tela do SEMF) Checar/Features/Violação, pode-se checar se o fundido da figura 3 sofre ou não violação de projeto quanto a moldagem (a regra utilizada para verificar a espessura de parede seria: espessuras de paredes menores que 2,5mm devem ser evitadas para não ter falta de metal na peça). Na análise do fundido da figura 3 não foram encontradas violações como mostrado na tela do SEMF (figura 4) para a espessura mínima de parede deixada entre o furo e a parede do solido. As outras features que constituem a peça também podem ser checadas (Chen 1998). Figura 4. Tela do SEMF para fazer o reconhecimento das features e checagem quanto as violações.

8 CONCLUSÕES Com o emprego da técnica de DFM associada a ferramenta computacional CAD e o programa SEMF é possível chegar as seguintes conclusões: o trabalho do projetista é facilitado; o tempo de desenvolvimento do projeto de peças fundidas é menor (time-to- market); prováveis erros de projeto são minimizados (regras implementadas); possibilidade de implementação de novas regras, proporcionando um aumento no volume de soluções dos problemas (base de conhecimento); o programa SEMF faz a integração entre o CAD e a técnica DFM. o programa é aberto e interativo. AGRADECIMENTOS A FAPEMIG pelo apoio financeiro concedido. REFERENCIAS American Foundrymen Society; Cast Metals Handbook (1992). Bralla, J. G.; Handbook of Product Design for Manufacturing - A Practical Guide for Low-Cost Prodution. New York: McGrw-Hill, (1986). Chen, K.H., Chen, S.J. Lin, L., Changchien, S.W.; An integrated graphical user interface (GUI) for concurrent engineering design of mechanical parts. Computer Integrated Manufacturing Systems, v.11, nº1-2, p (1998). Lima, Joel ; Palma, e. S.; Sales, w. F.; Aspectos Produtivos e Uso da Simulação Computacional para Escolha do Processo de Fabricação Fundição ou Forjamento. In: x Cibem - Congresso Iberoamericano de engenharia mecânica. Porto Portugal, V. 1. P (2011). Meerkamm, H.;WARTZACK, S.; Potencial dos projetos orientados à manufatura. Máquina e Metais. Aranda Editora p , Abril (2011). Parametric Technology Corporation.; Introduction to Pro/Engineer. Release Parametric Technology Corporation. USA (1998). Sarh, B. et al.; Aircraft Manufacturing and Assembly. Springer Handbook of Automation, Nof (Ed.), Springer, (2009). Ziewers, H.; Agostino, N. Design for manufacturing in automated aircraft assembly machining. Manufacturing and Automated Fastening Conference & Exhibition, Charleston, US, September (2008).