DISPOSITIVO HIDRÁULICO PARA DOBRAR TUBOS

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1 UNIJUÍ Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul UERGS Universidade Estadual do Rio Grande do Sul DeTec Departamento de Tecnologia Curso de Engenharia Mecânica Campus Panambi RAMIRO FEIDEN DISPOSITIVO HIDRÁULICO PARA DOBRAR TUBOS Panambi 2012

2 RAMIRO FEIDEN DISPOSITIVO HIDRÁULICO PARA DOBRAR TUBOS Trabalho de conclusão de curso apresentado à banca avaliadora do curso de Engenharia Mecânica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul UNIJUÍ, como requisito parcial para a obtenção do título de Engenheiro Mecânico. Banca Avaliadora: 1 Avaliador: Prof. Gil Eduardo Guimarães, Doutor em Engenharia. 2 Avaliador (Orientador): Prof. Claudio Fernando Rios.

3 AGRADECIMENTOS Agradeço ao meu orientador, Prof. Eng. Claudio Fernando Rios, pelo apoio ao desenvolvimento do trabalho, pela orientação conceitual do trabalho e principalmente pela confiança em mim depositada. A minha esposa Danieli e meu filho Rafael, pelo apoio e compreensão nas horas que estive ausente do convívio da família para se dedicar ao Curso de Engenharia Mecânica. Aos meus queridos pais, Osvaldo Feiden e Helga Feiden que estão realizando um sonho junto comigo, incentivando e motivando-me durante o Curso de Engenharia Mecânica, dedico-lhes esta conquista com respeito e gratidão. Á empresa onde hoje atuo que deu apoio de forma direta para realização Curso de Engenharia Mecânica. Aos meus amigos e colegas de trabalho que de uma forma ou outra contribuíram para realização do trabalho de conclusão do curso. Por fim agradeço a Deus, principalmente, por ter me concedido esta realização. MUITO OBRIGADO

4 RESUMO O trabalho a seguir apresentado visa desenvolver o estudo de uma alternativa de um dispositivo hidráulico para dobras de tubos na empresa Saur Equipamentos S.A.. A ideia inicial funciona basicamente com uma base a qual é adaptado um sistema de giro com engrenagem e cremalheira o qual é acionado hidraulicamente. Na parte superior do eixo de giro é acoplada uma roldana a qual fará a dobra do tubo que será fixado na mesma através de um cilindro. Com isso as peças que atualmente são feitas com chapas oxicortadas e soldadas poderiam ser feitas de tubos agilizando assim o processo de fabricação. Palavras-chave: Dispositivo hidráulico para dobras de tubos.

5 ABSTRACT The work presented below aims to develop the study of an alternative to a hydraulic pipe bending equipment in the company Saur SA. The initial idea basically works with a base which is adapted swivel system with gear and rack which is hydraulically driven. In the upper rotating shaft is coupled to a pulley which makes the bend of the tube to be affixed to it using a roller. Thus the parts today are made with oxyfuel sheets and welded tubes could be made of speeding up the manufacturing process. Keywords: Hydraulic device for bending pipes.

6 6 LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Peças forjadas Figura 2 - Esquema de um laminador Figura 3 - Representação da passagem do fio pela fieira e dos esforços atuantes Figura 4 - Ilustração do processo de extrusão direta Figura 5 - Processos de estampagem profunda Figura 6 - Processos de conformação em geral Figura 7 - Esquema de embutimento Figura 8 - Esquema de como é feito o processo de estiramento Figura 9 - Exemplos de engrenagens Figura 10 - Engrenagens construídas com madeiras Figura 11 - Unidades de potência hidráulica Figura 12 - Cilindro de simples ação Figura 13 - Cilindro de duplo efeito Figura 14 - Casa da qualidade Figura 15 - Diagrama fast para função realizar dobras em tubo Figura 16 - Matriz morfológica para dispositivo de dobrar tubos Figura 17 - Conjunto fueiro atual Figura 18 - Conjunto fueiro proposto Figura 19 - Perspectiva da caixa de giro Figura 20 - Caixa de giro em corte Figura 21 - Perspectiva do dispositivo de dobra de tubos... 39

7 7 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Quadro de identificação do problema Tabela 2 - Busca por princípios de solução para o problema da função de baixo nível... 29

8 8 SUMARIO 1 INTRODUÇÃO OBJETIVOS REVISÃO BIBLIOGRÁFICA PROCESSO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA PRINCIPAIS PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO ENGRENAGENS DEFINIÇÃO DE ENGRENAGENS SISTEMAS HIDRÁULICOS PRINCIPAIS COMPONENTES DOS SISTEMAS DIDRAULICOS CILINDROS HIDRÁULICOS ANÁLISE DAS NECESSIDADES DO PROBLEMA INTRODUÇÃO CASA DA QUALIDADE PARA DISPOSITIVO DE DOBRAS DE TUBOS QUADRO DE IDENTIFICAÇÃO DO PROBLEMA DE DOBRA DE TUBOS DISCUSSÃO DE RESULTADOS PROJETO CONCEITUAL DO DISPOSITIVO PARA DOBRAR TUBOS OBJETIVO DIAGRAMA FAST DA FUNÇÃO DE REALIZAR DOBRAS EM TUBOS BUSCA POR PRÍNCIPIOS DE SOLUÇÃO PARA AS FUNÇÕES DE BAIXO NÍVEL MATRIZ MORFOLÓGICA DE SOLUÇÕES PARA DISPOSITIVO DE DOBRAR TUBOS COMPARATIVO DE PEÇAS PEÇA ATUAL FOLHA DE PROCESSO DA PEÇA ATUAL PEÇA PROPOSTA FOLHA DE PROCESSO DA PEÇA PROPOSTA DISPOSITIVO DE DOBRA FUNCIONAMENTO CONCLUSÕES REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXO 1 DISPOSITIVO DE DOBRA ANEXO 2 MESA ANEXO 3 CAIXA DE GIRO... 44

9 9 ANEXO 4 ROLO ANEXO 5 CONJUNTO GUIA ANEXO 6 CILINDRO ANEXO 7 ROLO GUIA ANEXO 8 TUBO ANEXO 9 VISTA FRONTAL DO DISPOSITIVO DE DOBRA ANEXO 10 VISTA LATERAL DO DISPOSITIVO DE DOBRA ANEXO 11 PERSPECTIVA DO DISPOSITIVO SIMULANDO A DOBRA DE UM TUBO ANEXO 12 VISTA SUPERIOR DO DISPOSITIVO COM TUBO DOBRADO... 53

10 10 1 INTRODUÇÃO A economia brasileira vem crescendo de forma acelerada nos últimos anos, o Brasil cresceu a taxas que atingiram até doze por cento ao ano. Este crescimento trouxe junto, à abertura de novas empresas, novos investimentos com capital interno e principalmente grandes volumes de capital estrangeiro, aumentando a concorrência interna. Com a alta concorrência o preço se transformou em um grande atrativo para o consumidor e fator de sobrevivência para as organizações. Com isso a redução de custo aliada a evolução, a modernização de produtos e ao processo de melhoria continua se fez fundamental para a sobrevivência das empresas no mercado atual. Os processos de conformação mecânica alteram a geometria do material através de forças aplicadas por ferramentas adequadas que podem variar desde pequenas matrizes até grandes cilindros, como os empregados na laminação. Em função da temperatura e do material utilizado a conformação mecânica pode ser classificada como trabalho a frio, a morno e a quente. Cada um destes trabalhos fornecerá características especiais ao material e à peça obtida. Estas características serão uma da matéria prima utilizada como composição química e estrutura metalúrgica (natureza, tamanho, forma e distribuição das fases presentes) e das condições impostas pelo processo tais como o tipo e o grau de deformação, a velocidade de deformação e a temperatura em que o material é deformado. Dentro disto estaremos realizando um trabalho na parte de desenvolver um dispositivo para dobra de tubos, que hoje é uma necessidade na empresa, tornando assim o trabalho de extrema importância para auxiliar no processo de fabricação de algumas peças dentro de nosso processo produtivo.

11 11 2 OBJETIVOS O objetivo é o desenvolvimento de um equipamento para dobrar tubos que deve ser barato, utilizando peças obsoletas que a empresa possui, deve ser seguro para o operador e de simples operação, este equipamento deve fornecer uma média de 40 peças mês, tornando assim o processo muito mais rápido e barato. Como justificativa podemos levar em consideração o elevado custo de fabricação do processo atual, e o grande tempo que o mesmo demora em ser executado, isto acaba elevando o preço final do produto pronto, o que nos dias de hoje é um grande problema visto que os concorrentes têm um preço menor, outra justificativa seria o elevado número de operações que envolvem o processo atual que se alterado para tubos reduziria cerca de 50% do tempo de fabricação.

12 12 3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 3.1 PROCESSO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA Antes de 4000AC os homens das cavernas empregavam ouro e cobre nativos e meteoritos ricos em ferro, sem fundi-los, para a confecção de pequenos artefatos metálicos. Estes metais eram martelados para adquirirem a forma desejada e endurecerem (encruarem). Deste tempo até a atualidade os processos de conformação mecânica evoluíram muito e estão presentes em praticamente tudo que utilizamos. Atualmente, são fabricados desde pequenas peças como agulhas e pregos até navios, onde as chapas utilizadas são feitas por conformação mecânica. Os processos de conformação mecânica alteram a geometria do material através de forças aplicadas por ferramentas adequadas que podem variar desde pequenas matrizes até grandes cilindros, como os empregados na laminação. Em função da temperatura e do material utilizado a conformação mecânica pode ser classificada como trabalho a frio, a morno e a quente. Cada um destes trabalhos fornecera características especiais ao material e à peça obtida. Estas características serão função da matéria prima utilizada como composição química e estrutura metalúrgica (natureza, tamanho, forma e distribuição das fases presentes) e das condições impostas pelo processo tais como o tipo e o grau de deformação, a velocidade de deformação e a temperatura em que o material é deformado. Conformação é o processo mecânico onde se obtém peças através da compressão de metais sólidos em moldes, utilizando a deformação plástica da matéria-prima para o preenchimento das cavidades dos moldes. O processo pode ou não ser executado com o aquecimento da materia-prima, para facilitar o processo ou para modificar das características mecânicas da peça final. Com conformação a quente pode-se conformar peças com menos gasto de energia (mais produtividade) e não tornando necessário um tratamento termico, pois a confomação a quente é feita com temperaturas acima do ponto critico do diagrama ferro-carbono, logo a essa temperatura a estrutura se recristaliza simultaneamente com deformação sofrida. Na conformação a frio tem se a vantagem de ter um melhor acabamento final na peça, e o material da peça fica encruado, isso ajuda a aumentar a resistência mecânica, mas diminui a ductilidade.

13 PRINCIPAIS PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO O número dos diferentes processos unitários de conformação mecânica, desenvolvidos para aplicações específicas, atinge atualmente algumas centenas. Não obstante, é possível classificá-los num pequeno número de categorias, com base em critérios tais como: o tipo de esforço que provoca a deformação do material, a variação relativa da espessura da peça, o regime da operação de conformação, o propósito da deformação. Basicamente, os processos de conformação mecânica podem ser classificados em: Forjamento: Forjamento é o processo de fabricação no qual um tarugo de metal é deformado dentro das mais variadas formas geométricas e com grandes deformações plásticas. Este processo de fabricação está dividido em três grandes grupos: forjamento a frio, a quente e a morno. Essa classificação é dependente da temperatura na qual as operações de forjamento ocorrem. O trabalho a quente é definido como a deformação sob condições de temperatura e taxa de deformação tais que processos de recuperação e recristalização ocorrem simultaneamente com a deformação. De outra forma, o trabalho a frio é a deformação realizada sob condições em que os processos de recuperação e recristalização não são efetivos. Como o encruamento não é aliviado, a tensão de conformação aumenta com a deformação. No trabalho a morno ocorre uma recuperação parcial da ductilidade do material e a tensão de conformação situa-se numa faixa intermediária entre o trabalho a frio e a quente. No trabalho a morno não se formam novos grãos, ou seja, não há recristalização. A fixação da temperatura é variável, sendo uma dependência do tipo de aço que se deseja forjar. Em geral seus limites são fixados pelo aumento excessivo de força quando a temperatura é muito baixa (limite inferior), é necessário um conhecimento bem detalhado do comportamento do material com o qual se está trabalhando, ou seja, conhecer a tensão de escoamento, as perdas por oxidação, o alongamento e as zonas de transformação de fase em função da temperatura. Todos esses parâmetros devem ser conhecidos para se evitar defeitos e aperfeiçoar o processo. Forjamento a frio, é uma deformação plástica de metais, sem aquecimento, onde o material é forçado por compressão, a fluir entre uma matriz e um macho, resultando na obtenção de peças com forma e tolerâncias de precisão. É um método usado para mover, sem remover o metal. Esta tecnologia já provou ser altamente econômica. Suas aplicações estão

14 14 crescendo rapidamente e seu potencial e desenvolvimento para peças com formas geométricas mais complexas, fabricadas adas com matérias-primas que permitem em maior grau de deformação. O trabalho a frio é acompanhado do encruamento do metal, que é ocasionado pela interação das discordâncias entre si e com outras barreiras tais como contornos de grão que impedem o seu movimento através da rede cristalina. A deformação plástica produz também um aumento no número de discordâncias, as quais, em virtude de sua interação, resultam num elevado estado de tensão interna na rede cristalina. Tudo isto resulta macroscopicamente num aumento de resistência e dureza e num decréscimo da ductilidade do material. Por encontrar-se em baixas temperaturas, a tensão de deformação do material é alta e, portanto exige altas pressões por parte das máquinas e, consequentemente, exige forjas de grande ou médio porte. A vantagem que encontra sobre o forjamento a quente é que após o processo a peça encontra-se já em suas dimensões acabadas, pois não sofreu dilatações por causa a do aumento de temperatura. Todos os materiais que apresentam uma ductilidade à temperatura ambiente podem ser deformados a frio. Fundamentalmente o processo a frio passa a ter vantagens econômicas, dependendo do volume do material e de quanto à peça forjada se aproxima em geometrias da peça pronta. Figura 1 - Peças forjadas. Fonte: Apostila da UERJ Processos de dobramento Laminação: Laminação é o processo de conformação mecânica que consiste em modificar a seção transversal de um material passando-o o entre dois cilindros que giram em sentido contrário. Os produtos podem ser planos (chapas) ou não planos (perfis mais ou menos complexos).

15 15 Na laminação o material é submetido a tensões compressivas elevadas, resultantes da ação de prensagem dos rolos e a tensões cisalhantes superficiais, resultantes do atrito entre os rolos e o material. As forças de atrito são também responsáveis pelo ato de "puxar" o metal para dentro dos cilindros. É o processo de transformação mecânica mais utilizado na fabricação de chapas e perfis, pois apresenta alta produtividade e um controle dimensional do produto acabado que pode ser bastante preciso, além de uma grande variedade de produtos. A redução ou desbaste inicial dos lingotes (produtos padronizados da fundição) em blocos, tarugos ou placas é realizada normalmente por laminação a quente. Depois dessa fase, segue-se uma nova etapa de laminação à quente para transformar o produto em chapas grossas, tiras a quente, vergalhões, barras, tubos, trilhos ou placas. Muitos ainda passam pela laminação a frio, que produz excelente acabamento superficial, com boas propriedades mecânicas e controle dimensional rigoroso do produto tais como tarugos, tiras, chapas, barras, perfis estruturais em forma de L, U, T, I, H, e tubos sem costura. Um laminador consiste basicamente de cilindros (ou rolos), mancais, uma carcaça chamada de gaiola ou quadro para fixar estas partes, e um motor para fornecer potência aos cilindros e controlar a velocidade de rotação. As forças envolvidas na laminação podem facilmente atingir milhares de toneladas, portanto é necessária uma construção bastante rígida. Dessa forma, o custo de uma moderna instalação de laminação é da ordem de milhões de dólares e são consumidas muitas horas de projetos, uma vez que esses requisitos são multiplicados para as sucessivas cadeias de laminação contínua (chamado de tandem mill ). Os cilindros de laminação são de aço fundido ou forjado. Compõem-se de três partes: a mesa, onde se realiza a laminação, que pode ser lisa ou com canais; os pescoços, onde se encaixam os mancais; e os trevos ou garfos de acionamento. Os cilindros são aquecidos pelo material laminado a quente e é de grande importância um resfriamento adequado deles, usualmente através de jatos de água.

16 16 Figura 2 - Esquema de um laminador Fonte: Apostila da UERJ Processos de dobramento Trefilação: A trefilação é um processo de conformação plástica que se realiza pela operação de conduzir um fio (ou barra ou tubo) através de uma ferramenta (fieira), que contém um furo em seu centro, por onde passa o fio. Esse furo tem o diâmetro decrescente, e apresenta um perfil na forma de funil curvo ou cônico A passagem do fio pela fieira provoca a redução de sua secção e, como a operação é comumente realizada a frio, ocorre o encruamento com alteração das propriedades mecânicas do material do fio. Esta alteração se dá no sentido da redução da ductilidade e aumento da resistência mecânica. Portanto, o processo de trefilação comumente é um trabalho de deformação mecânica realizada a frio, isto é, a uma temperatura de trabalho abaixo da temperatura de recristalização (o que não elimina o encruamento) e tem por objetivo obter fios (ou barras ou tubos) de diâmetros menores e com propriedades mecânicas controladas. Entre as diversas etapas da trefilação (isto é, entre as diversas passagens por sucessivas fieiras de diâmetros finais decrescentes), pode-se tornar conveniente a realização de um tratamento térmico de recozimento para conferir a ductilidade necessária ao prosseguimento do processo ou ao atendimento de requisitos finais de propriedades mecânicas específicas para o uso do produto trefilado. A matéria-prima para o processo de trefilação é um produto na forma de arame (ou barra ou tubo) obtido pelo processo de extrusão (para metais não ferrosos) ou pelo processo de laminação (para metais ferrosos e não ferrosos). Os esforços preponderantes ponderantes na deformação são esforços de compressão exercidos pelas paredes do furo da ferramenta sobre o fio, quando de sua passagem, por efeito de um esforço detração aplicado na direção axial do fio e de origem externa. Como o esforço externo é de tração, e o esforço que provoca a deformação é de compressão, o processo de trefilação é classificado como um processo de compressão indireta.

17 17 Figura 3 - Representação da passagem do fio pela fieira e dos esforços atuantes Fonte: Apostila da UERJ Processos de dobramento Extrusão: A extrusão é um processo de conformação plástica que consiste em fazer passar um tarugo ou lingote (de secção circular), colocado dentro de um recipiente, pela abertura existente no meio de uma ferramenta, colocada na extremidade do recipiente, por meio da ação de compressão de um pistão acionado pneumática ou hidraulicamente (Figura 4 - Ilustração do processo de extrusão direta). Os produtos da extrusão são perfis e tubos, e, particularmente, barras da secção circular. Figura 4 - Ilustração do processo de extrusão direta Fonte: Apostila da UERJ Processos de dobramento A passagem do tarugo pela ferramenta, com furo de secção menor do que a do tarugo provoca a deformação plástica, mas sem efeito de encruamento, pois comumente o processo é conduzido a uma temperatura de trabalho acima da temperatura de recristalização do metal. Normalmente, portanto, o processo de extrusão é um processo de trabalho a quente e visa obter perfis metálicos com propriedades mecânicas controladas e de comprimento limitado pelo volume do lingote inicial. Como a estrutura metálica do produto da extrusão se encontra na condição recristalizada, é possível aplicar ao metal extrudado intensos trabalhos de deformação a frio adicionais como os de trefilação.

18 18 Estampagem: Os processos de conformação plástica de chapas podem ser inicialmente classificados em dois grandes grupos: Estampagem profunda ou embutimento (ou estiramento); Conformação em geral. Na técnica de fabricação de peças por conformação plástica a partir de chapas, contudo, o processo de corte da chapa sempre está presente. As operações de conformação plástica da peça são sempre feitas a partir de um pedaço de chapa, que se pode denominar disco ou esboço (a segunda denominação se refere a uma forma qualquer). O grupo de estampagem profunda (Figura 5) é constituído pelos seguintes processos: conformação por estampagem, reestampagem e reestampagem reversa de copos; conformação com estampagem e reestampagem de caixas; conformação rasa com estampagem e reestampagem de painéis; conformação profunda com estampagem de painéis. Figura 5 - Processos de estampagem profunda Fonte: Apostila da UERJ Processos de dobramento Os processos do grupo de conformação em geral, ao contrário do grupo anterior, cujos processos utilizam ferramentas acionadas por prensas, podem ser realizados em prensas viradeiras, rolos conformadores ou outros tipos mais específicos de máquinas e ferramentas de conformação. Os tipos principais de processos pertencentes a esse grupo são: dobramento, flangeamento, rebordamento, enrolamento parcial ou total, nervuramento, estaqueamento, pregueamento, abaulamento, corrugamento, gravação, conformação de tubos e outros processos mais específicos (Figura 6). Nos processos classificados no grupo de conformação em geral, estão sempre presentes na zona de deformação da peça, esforços de flexão que dobram a região a ser deformada criando tensões de tração numa superfície e de compressão na superfície oposta. Na estampagem profunda estão associados aos esforços típicos desse processo os esforços que caracterizam os processos de conformação em geral. Nesse processo verifica-se, invariavelmente, a ação de um dispositivo da ferramenta denominado prensa- chapas ou sujeitador que ocasiona o surgimento de esforços adicionais.

19 19 Figura 6 - Processos de conformação em geral Fonte: Apostila da UERJ Processos de dobramento Conformação de chapas e tubos compreende as operações de: Embutimento: Processo de conformação mecânica, sem separação de massa, onde uma chapa plana é forçada a tomar a forma de peças no formato de conchas, com o uso de prensas e matrizes apropriadas. A distinção entre estampagem rasa e profunda é arbitrária. A estampagem rasa geralmente se refere à conformação de um copo com profundidade menor do que a metade do seu diâmetro com pequena redução de parede. Na estampagem profunda o copo é mais profundo do que a metade do seu diâmetro. A estampagem profunda requer que o material seja bastante dúctil. Na operação de embutimento, sofre deformação plástica somente o trecho da chapa plana que ocupa a área compreendida entre o diâmetro final do copo d, e o inicial da chapa D, conforme se observa na (figura 7).

20 20 Figura 7 - Esquema de embutimento Fonte: Apostila da UERJ Processos de dobramento Às vezes, o diâmetro do "blank" é muito superior ao diâmetro da peça a estampar. A fabricação poderá exigir uma sequência de operações de estampagem, utilizando uma série de ferramentas, com diâmetros decrescentes (da matriz e do punção). O número de operações depende do material da chapa e das relações entre o disco inicial e os diâmetros das peças estampadas. Estiramento: É a operação que consiste na aplicação de forças de tração, de modo a esticar o material sobre uma ferramenta ou bloco (matriz). Neste processo, o gradiente de tensões é pequeno, o que garante a quase total eliminação do efeito mola. Como predominam tensões trativas, grandes deformações de estiramento podem ser aplicadas apenas para materiais muito dúcteis. Para estes materiais, is, almejam-se altos valores de coeficiente de encruamento. O equipamento de estiramento consiste basicamente de um pistão hidráulico (usualmente vertical), que movimenta o punção, e duas garras prendem as extremidades da chapa. Na operação, não existe uma matriz fêmea. As garras podem ser móveis permitindo que a força de tração esteja sempre em linha com as bordas da chapa. Garras fixas devem ser usadas somente para conformação de peças com grandes raios de curvatura, evitando-se com isto o risco de ruptura da chapa na região das garras. O estiramento é uma das etapas de operações complexas de estampagem de chapas finas. Na conformação de peças como partes de automóveis ou de eletrodomésticos, é comum haver componentes de estiramento. Figura 8 - Esquema de como é feito o processo de estiramento

21 ENGRENAGENS Estes elementos estão presentes em quase todos os sistemas que transmitam potência de uma unidade motora para uma unidade consumidora. Uma característica extremamente importante é o fato que em função da configuração ou arranjo destes elementos, pode-se variar (aumentar ou reduzir) variáveis da transmissão, como por exemplo, a rotação, velocidade angular e principalmente o torque. Figura 9 - Exemplos de engrenagens Fonte: Elementos orgânicos de máquinas II A transmissão de movimento rotativo de um eixo para outro ocorre em quase todas as máquinas que se possa imaginar. As engrenagens constituem um dos melhores meios dentre os vários disponíveis para essa transmissão. Quando se constata que as engrenagens de um diferencial de automóvel, por exemplo, possam funcionar por quilômetros ou mais antes de necessitarem substituição, e quando se conta o número real de engrenamentos ou de revoluções de um sistema de transmissão, começa-se a avaliar o fato de que o projeto e a fabricação destas engrenagens é realmente uma realização notável. As engrenagens possuem uma história longa. Um aparato denominado Carroça chinesa apontando para o Sul supostamente usado para navegar pelo deserto de Gobi nos tempos pré-bíblicos, continha engrenagens rudimentares. Leonardo Da Vinci mostra muitos arranjos de engrenagens em seus desenhos. Após um grande desenvolvimento e o advento da revolução industrial, as engrenagens passaram a ser construídos com materiais metálicos muito mais resistentes. As primeiras engrenagens foram provavelmente feitas cruamente de madeira como pode se ver na (figura 10) e outros materiais fáceis de serem trabalhados. Sendo meramente constituídos por pedaços de madeira inseridos em um disco ou roda.

22 22 Figura 10 - Engrenagens construídas com madeiras Fonte: Elementos orgânicos de máquinas II DEFINIÇÃO DE ENGRENAGENS Denomina-se engrenagem o elemento dotado de dentadura externa ou interna, cuja finalidade é transmitir movimento sem deslizamento e potência, multiplicando os esforços com a finalidade de gerar trabalho. Possuem formato cilíndrico (engrenagem cilíndrica), cônico (engrenagem cônica), helicoidal (engrenagens helicoidais) ou reta (cremalheira). Obviamente, cada tipo de elemento estará associado a uma aplicação específica. De maneira geral, devem-se conhecer as cargas e solicitações que o sistema de transmissão estará submetido a fim de se optar pelo melhor elemento. As engrenagens, hoje em dia, são altamente padronizadas com relação à forma do dente e ao tamanho. Diversas entidades de padronização estabelecem normas e diretrizes, dentre estas se destaca a AGMA American Gear Manufacturers Association, ABNT e a DIN. 3.4 SISTEMAS HIDRÁULICOS Experiências têm mostrado que a hidráulica vem se destacando e ganhando espaço como um meio de transmissão de energia nos mais variados segmentos do mercado, sendo a Hidráulica Industrial e Móbil as que apresentam um maior crescimento. Porém, pode-se notar que a hidráulica está presente em muitos os setores industriais. Amplas áreas de automatização foram possíveis com a introdução de sistemas hidráulicos para controle de movimentos. Para um conhecimento detalhado e estudo da energia hidráulica pode-se inicialmente entender o termo Hidráulica. O termo Hidráulica derivou-se da raiz grega Hidro, que tem o significado de água, por essa razão entendem-se por Hidráulica todas as leis e

23 23 comportamentos relativos à água ou outro fluido, ou seja, Hidráulica é o estudo das características e uso dos fluidos sob pressão PRINCIPAIS COMPONENTES DOS SISTEMAS DIDRAULICOS Nos circuitos hidráulicos denomina-se unidade de potência hidráulica ao conjunto de componentes que proporcionam óleo com pressão e vazão adequadas. A figura a seguir mostra alguns tipos de unidades de potência. Figura 11 - Unidades de potência hidráulica Fonte: TECEM, Noções elementares de sistemas hidráulicos 2009 (parte 2). Esses conjuntos têm como principais componentes: Motor elétrico ou a ar comprimido; Bomba de deslocamento positivo; Manômetro; Reservatório com visor de nível; Válvula de segurança; Filtro de retorno; Válvula direcional CILINDROS HIDRÁULICOS Os cilindros hidráulicos são atuadores lineares, isto é, podem produzir movimento ou força linear. Classificam-se em cilindros de simples e duplo efeito. Os cilindros de simples efeito têm uma câmara de fluído e exercem força somente em uma direção. Quando montados verticalmente geralmente se retraem pela força da gravidade sob carga. São empregados em elevadores hidráulicos e macacos.

24 24 Figura 12 - Cilindro de simples ação Fonte: TECEM, Noções elementares de sistemas hidráulicos 2009 (parte 2). Os cilindros de duplo efeito sofrem ação do fluído em ambas as direções sendo capazes de fornecer força nos dois sentidos da haste, as áreas ficam desiguais e a força exercida é diferente. Figura 13 - Cilindro de duplo efeito Fonte: TECEM, Noções elementares de sistemas hidráulicos 2009 (parte 2).

25 25 4 ANÁLISE DAS NECESSIDADES DO PROBLEMA 4.1 INTRODUÇÃO Neste capítulo apresenta-se a aplicação de duas ferramentas para analise do problema ou necessidade, sendo elas o Quadro de identificação do problema e a Casa da Qualidade, o objetivo destas ferramentas é de estruturar e organizar informações do consumidor, realizar uma analise das etapas do ciclo de vida do produto. 4.2 CASA DA QUALIDADE PARA DISPOSITIVO DE DOBRAS DE TUBOS O objetivo da técnica Casa da Qualidade é de discutir como desenvolver produtos com sucesso considerando a voz do consumidor, apresenta como vantagens a possibilidade de definição das variáveis de projeto, possibilita identificar os requisitos do consumidor e relacionar estes com as características de engenharia. Figura 14 - Casa da qualidade

26 QUADRO DE IDENTIFICAÇÃO DO PROBLEMA DE DOBRA DE TUBOS. O objetivo do Quadro de identificação do Problema é de realizar uma analise de todas as etapas do ciclo de vida do produto identificando descrições de entradas e saídas. A sua vantagem é que depois de definidas todas as entradas e saídas, podemos elaborar um Planejamento Estratégico para definir as necessidades para se iniciar o processo. Tabela 1 - Quadro de identificação do problema Fases do Ciclo de Vida do Produto ENTRADAS Planejamento estratégico Meio ambiente e recursos SAÍDAS Desejadas Indesejadas Projeto e Produção - Projeto respeitando normas e padrões. - Projeto deve ser padronizado. - Fabricação deve ser rápida e simples, com processos bem elaborados. - Empresa de pequeno porte. - Engenheiro, projetista. - Maquinas de corte, dobra, soldagem e usinagem. - Técnico para realizar assistência técnica - Deve ser de fácil manuseio e operação. - Fabricação deve ser simples e rápida visando redução de custo. - Deve ser resistente. - Falta de parâmetros para o projeto. - Necessidades de uso de materiais de maior custo. - Peças com formato especial, difícil de serem produzidas. Distribuição - Transporte interno dentro da empresa. - Usar equipamento adequado. - Transporte sobre palete. - Pode ser guardado no tempo. - Assistência realizada pela manutenção interna. - Produto deve ser de fácil manuseio. - Assistência deve ser reduzida. - Dificuldade na acomodação para o transporte. - Produto com muita oxidação na estocagem. Uso e/ou Operação - Acompanhamento do equipamento na produção, analisando o seu desempenho. - O equipamento deve ter o manual de operação contendo todas as informações relevantes a sua operação. - Será utilizado na indústria por operadores treinados para operar equipamentos hidráulicos. - O dispositivo será utilizado no chão de fabrica. - Pode-se considerar como um trabalho que exige resistência do equipamento. - Deve ter facilidade de operação. -Não deve danificar a parede do tubo. - Acidentes durante a operação. - Produto danifica a raiz da mandioca. - Produto de difícil operação. Descarte - Usar materiais comuns e usuais com processo de descarte já conhecido. - Perda das características técnicas necessárias ao projeto e a operação. - Deve atender padrões de descarte conforme material usado. - Possui materiais de difícil descarte.

27 DISCUSSÃO DE RESULTADOS Os resultados alcançados até esta fase do projeto já podem dar algumas diretrizes para concepção do projeto que atenderá melhor o problema de elaboração do dispositivo de dobrar tubos. Ao aplicar a ferramenta Casa da Qualidade relaciona-se as necessidades do consumidor com as características de engenharia, relativo á de dobras de tubos, podendo assim atribuir algumas características das quais se pode citar alguns pontos relativos à sua importância. Por ordem de importância citamos as características de engenharia: A máquina deve ter um custo de fabricação abaixo de R$ Deve possuir uma bitola adequada, de maneira a não marcar os tubos. Deve ter engates padronizados. Deve ter uma força adequada. Deve ter um tamanho adequado. Deve ter velocidade adequada. Deve ter uma massa adequada. Deve ter um custo operacional baixo. Deve ter um baixo nível de ruído. Deve ter comandos normalizados. Ao ser aplicado a ferramenta Quadro de identificação do problema pode-se identificar algumas saídas desejadas e algumas restrições para cada fase do ciclo de vida do projeto, por exemplo, citar algumas saídas desejadas na operação e uso. O equipamento deve ser fácil de operar. Não deve danificar as paredes dos tubos. Não deve deixar partes amassadas.

28 28 5 PROJETO CONCEITUAL DO DISPOSITIVO PARA DOBRAR TUBOS 5.1 OBJETIVO Este capítulo tem como objetivo desenvolver uma elaboração de estruturas de funções a procura por princípios de solução, chegando a uma solução viável e capaz de resolver o problema. 5.2 DIAGRAMA FAST DA FUNÇÃO DE REALIZAR DOBRAS EM TUBOS O objetivo da técnica se resume em partir de uma função principal de mais alto nível (função desejada no produto) até se chegar a funções de níveis mais baixos, as quais tornam possível a função de alto nível, ou também chamada de função básica, ao se obter as funções de nível mais baixo as utilizamos para buscar princípios de solução, a vantagem desta ferramenta é que ela induz o pensamento lógico. Figura 15 - Diagrama fast para função realizar dobras em tubo

29 BUSCA POR PRÍNCIPIOS DE SOLUÇÃO PARA AS FUNÇÕES DE BAIXO NÍVEL Esta é uma etapa na qual acontece a procura por princípios, mecanismos e elementos de máquinas que satisfaçam e solucionem as necessidades representadas pelas funções encontradas no diagrama FAST. Para cada função são sugeridas alternativas que futuramente serão analisadas e darão origem as concepções do projeto. Para cada função de baixo nível vamos listar os princípios de solução e seus respectivos ideogramas representativos. Tabela 2 - Busca por princípios de solução para o problema da função de baixo nível Ideograma Descrição do princípio de solução Dobrador de tubos manual, fixo no chão e com diversos discos de ajuste. A-1 Dobrador de tubos hidráulico com sistema de dobras por um cilindro e gabaritos com o grau desejado. A-2 B-1 B-2 Ideograma B Prover Sistema de Fixação do Tubo Descrição do princípio de solução Morsa manual para fixação de tubos e peças, tipo torno de bancada. Morsa hidráulica de bancada com maior durabilidade e resistência, e com sistema para a peça não escapar. C-1 Ideograma C Prover Escala de Medição Descrição do princípio de solução Régua metálica reta. C-2 Goniómetro.

30 30 Ideograma D Prover Bancada Descrição do princípio de solução Bancada em aço para fixação de ferramentas e dispositivos. D-1 D-2 Ideograma Bancada com revestimento em borracha para evitar amassamento de peças. E Prover Comando Descrição do princípio de solução Comandos hidráulicos acionados por alavancas Comandos hidráulicos acionados por cabos permite operar o comando a um maior distancia. Comandos acionados eletricamente permitem ser operada a distância. Ideograma F Transferir Potência Descrição do princípio de solução Sistema hidráulico transmite potência através do escoamento de um fluido sobre pressão através de mangueiras e canos. Cardan transmite rotação de um eixo com determinado torque.

31 31 Correntes e polias, utilizados nas mais diferentes aplicações e exigências. Ideograma G Prover Torque Descrição do princípio de solução G-1 Força de trabalho do homem. Moto redutor pode acionar uma polia ou um sistema de engrenagens. G-2 Motor elétrico pode acionar uma bomba hidráulica. G-3 H-1 Ideograma H Prover eixos e Cremalheiras Descrição do princípio de solução Engrenagens que vão transmitir a rotação ao eixo de uma roldana. Cremalheira gera um movimento de rotação no eixo H-2 Ideograma I Proteger Operador Descrição do princípio de solução Proteções circulares. Proteções em formato trapezoidal.

32 MATRIZ MORFOLÓGICA DE SOLUÇÕES PARA DISPOSITIVO DE DOBRAR TUBOS FUNÇÕES PRINCÍPIOS DE SOLUÇÃO A - Dobrar Tubos B Prover Sistema de Fixação do Tubo C Prover Escala de Medição D Prover Bancada A-1 A-2 B-1 B-2 C-1 C-2 E Prover Comando D-1 D-2 F-Transferir Potência G Prover Torque H Prover Eixos e cremalheira I Proteger Operador G-2 G-3 H-1 H-2 Figura 16 - Matriz morfológica para dispositivo de dobrar tubos

33 33 6 COMPARATIVO DE PEÇAS 6.1 PEÇA ATUAL O conjunto fueiro fabricado atualmente é composto por sete peças, onde a maioria passa pelo processo de corte por plasma. Este conjunto acaba se tornando muito demorado a sua fabricação devido a uma grande quantidade de solda que o mesmo precisa para ficar pronto, a (figura 17) mostra o conjunto com todas as suas peças. Figura 17 - Conjunto fueiro atual Fonte: Saur Equipamentos S.A.

34 6.1.1 FOLHA DE PROCESSO DA PEÇA ATUAL 34

35 Tempo total de fabricação de duas horas e quarente e cinco minutos. 35

36 PEÇA PROPOSTA O conjunto proposto tem apenas três peças na sua estrutura diminuindo assim o número de peças a serem fabricadas, reduzindo também drasticamente a quantidade de solda do processo se comparado o conjunto proposto com o atual a também diminuindo o tempo de fabricação do mesmo, que por si só já é um grande ganho na diminuição dos tempos de fabricação. A (figura 18) mostra o conjunto fueiro proposto. Figura 18 - Conjunto fueiro proposto Fonte: Saur Equipamentos S.A.

37 FOLHA DE PROCESSO DA PEÇA PROPOSTA Tempo total de fabricação de uma hora e dezoito minutos.

38 38 7 DISPOSITIVO DE DOBRA 7.1 FUNCIONAMENTO O dispositivo de dobra proposto neste trabalho é um dispositivo para dobrar tubos acionado hidraulicamente, onde um sistema de giro composto por um eixo central, duas cremalheiras, quatro camisas de giro, quatro êmbolos, quatro conjuntos de vedações são os responsáveis pelo giro do sistema. Este dispositivo é mostrado na (figura 19). Figura 19 - Perspectiva da caixa de giro Fonte: Saur Equipamentos S.A. Para realizar o giro o óleo entra em uma camisa de cada lado sempre sendo uma contraria da outra, se de um lado for à da frente no outro será a de traz, com isso o óleo empurra os êmbolos que estão montados nas extremidades das cremalheiras fazendo com que os mesmos desloquem dentro das camisas executando o giro, as camisas de giro com êmbolos e cremalheiras assemelham-se a quatro cilindros, pois o funcionamento é semelhante a o de um, este sistema é mostrado na (figura 20). Figura 20 - Caixa de giro em corte Fonte: Saur Equipamentos S.A.

39 39 O dispositivo para dobrar tubos foi projetado pensando na utilização de peças já em desuso na empresa, fazendo assim que o custo de fabricação do mesmo seja reduzido deixando assim o projeto economicamente mais viável, por isto não foi levada em conta a robustez de alguns componentes utilizados neste projeto. A (figura 21) apresenta uma perspectiva do dispositivo proposto neste trabalho. Figura 21 - Perspectiva do dispositivo de dobra de tubos Fonte: Saur Equipamentos S.A.

40 40 CONCLUSÕES Através do trabalho de conclusão de curso realizado na área da produção industrial tem-se a oportunidade para complementar a formação acadêmica e profissional, foram desenvolvidas atividades que permitiram integrar os conhecimentos adquiridos na universidade com a aplicação prática na empresa, possibilitando o aperfeiçoamento do conhecimento. É muito importante para um formando desenvolver a habilidade crítica para analisar um produto ou um processo, juntando esta experiência prática com os conceitos teóricos passados no curso de Engenharia Mecânica. Durante o trabalho foi possível identificar todo o processo de fabricação do conjunto de fueiro, possibilitando assim auxiliar na elaboração de uma peça nova e de um dispositivo o qual irá agilizar o processo produtivo destas peças e também ajudar a não sobrecarregar a célula de solda. A elaboração deste dispositivo irá melhorar o tempo de fabricação dos conjuntos de fueiros e também ajudar a diminuir o número de peças envolvidas para a produção de cada item. Com a realização das atividades pode-se perceber algumas oportunidades de melhorias para o processo, onde observa-se que geralmente é possível desenvolver melhorias nos processos de fabricação ou nos produtos a serem fabricados, que cada vez mais temos que buscar novas formas de fabricar as peças buscando sempre aperfeiçoar o sistema e diminuir os tempos e custos da produção. Atualmente cada vez mais a mão de obra se torna mais cara e a qualidade dos produtos priorizada. Portanto, a utilização destas soluções trazem benefícios tanto para as empresas, que aproveitam melhor seus investimentos, quanto para os colaboradores que contam com o auxílio da mecanização da operação para auxiliar na qualidade do produto final.

41 41 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] 05/10/12; [2] BRESCIANI Filho, Ettore (coord.); ZAVAGLIA, Cecília Amélia Carvalho; BUTTON, Sérgio Tonini;GOMES, Edson; NERY Fernando Antonio da Costa. Conformação Plástica dos Metais. Campinas: Editora da Unicamp, 1997 (5a. edição); [3] 05/10/12; [4] HALL, HOLOWENKO, LAUGHLIN, Traduzido por Paulo Murilo A. da Rocha. Elementos orgânicos de maquinas. [5] TECEM, Noções elementares de sistemas hidráulicos 2009 (parte 2).

42 42 ANEXO 1 DISPOSITIVO DE DOBRA 1. Conjunto guia; 2. Cilindro; 3. Tubo; 4. Rolo; 5. Rolo Guia; 6. Mesa; 7. Caixa de Giro.

43 ANEXO 2 MESA 43

44 ANEXO 3 CAIXA DE GIRO 44

45 ANEXO 4 ROLO 45

46 ANEXO 5 CONJUNTO GUIA 46

47 ANEXO 6 CILINDRO 47

48 ANEXO 7 ROLO GUIA 48

49 ANEXO 8 TUBO 49

50 ANEXO 9 VISTA FRONTAL DO DISPOSITIVO DE DOBRA 50

51 ANEXO 10 VISTA LATERAL DO DISPOSITIVO DE DOBRA 51

52 52 ANEXO 11 PERSPECTIVA DO DISPOSITIVO SIMULANDO A DOBRA DE UM TUBO

53 ANEXO 12 VISTA SUPERIOR DO DISPOSITIVO COM TUBO DOBRADO 53