DESENVOLVIMENTO DE UMA MESA COM COORDENADAS CNC PARA O PROCESSO DE OXICORTE
Vinicius Löbler*
RESUMO
Este projeto de uma mesa, de coordenadas CNC, tem em vista fins de pesquisa e aplicação do processo de oxicorte com a programação de máquinas de comando numérico. Os processos de fabricação cada vez mais exigem flexibilidade na produção de peças de geometria complexa. Além da construção do protótipo, sugeriu-se uma análise de desempenho da mesa através de um programa computacional de integração Cad/Cam, para geração automática dos programas de operação deste tipo de equipamento, que possibilita o uso de microcomputadores para a aquisição de dados e controle de motores de passo. O trabalho apresentou propostas de otimizações tanto para o projeto da máquina quanto para o programa utilizado na análise de desempenho. O trabalho também possibilitou um maior aprendizado sobre as fases de projeto, desde a concepção até a execução.
Palavras-Chave: Desenvolvimento de uma mesa de coordenadas CNC
__________________________________
* Estudante - Universidade Federal de Santa Maria
Acadêmico Curso Engenharia Mecânica
E-mail: [email protected]
1) Introdução
Este trabalho propõe a execução do projeto de uma mesa de coordenadas controlada por comando numérico computadorizado, com posterior análise de desempenho do protótipo. Assim com a construção do protótipo da mesa, será verificada a eficiência e desempenho do projeto. A análise de desempenho baseia-se no teste com software de integração CAD/CAM, observando o funcionamento da mesa de coordenadas.
Para melhor entendimento da concepção deste equipamento, exigiu-se o conhecimento de várias áreas da Engenharia Mecânica. Em processos de corte de metais temos o Oxicorte como "um processo de seccionamento de metais pela combustão localizada e contínua devido à ação de um jato de oxigênio de elevada pureza, agindo sobre um ponto previamente aquecido por uma chama oxi-combustível", bem como um estudo relacionado à tecnologias de Automação Industrial, já que uma das propostas de máquinas de comando numérico é a automatização de processos de fabricação.
Quanto à utilização e entendimento dos softwares envolvidos tanto no teste de desempenho do equipamento, como também nos softwares destinados para a construção de um protótipo virtual do equipamento. Também foram exigidos conhecimentos sobre processos de corte, que é a finalidade do equipamento, mais específico os processos de Oxicorte e corte por plasma.
Neste trabalho, serão abordados conceitos sobre máquinas de comando numérico e sobre o processo de corte utilizado pelo equipamento. Também será feito um estudo relacionado ao sistema de acionamento utilizado.
Será apresentada uma descrição dos procedimentos de execução do projeto da mesa com análise e discussões devido às modificações propostas ao projeto existente.
Os objetivos deste trabalho é a execução do projeto de uma mesa de coordenadas controlada por comando numérico e a posterior análise de desempenho do protótipo. Este equipamento deve ter a capacidade de efetuar um processo de corte em uma chapa de aço de acordo com o desenho digital da peça que se pretende cortar, levando em consideração as tolerâncias envolvidas no processo de corte utilizado. Será utilizado um software, desenvolvido no NAFA (Núcleo de Automação e Processos de Fabricação), que fará a ligação entre o desenho digital e a fabricação da peça (software de integração CAD/CAM) que deve ter a capacidade de gerar com eficiência um programa de comando numérico apto a ser reconhecido pelo software de controle dos motores.
Os objetivos específicos deste trabalho e estudos posteriores podem ser descritos da seguinte maneira:
- Entendimento de conceitos relacionados a máquinas de comando numérico;
- Elaborar um manual de procedimentos do software CAD/CAM desenvolvido;
- Análise do software CAD/CAM desenvolvido, apontado falhas e pontos de melhoria;
- Planejamento da construção física da estrutura (usinagem e montagem);
- Efetuar análise de desempenho do equipamento;
- Propor melhorias frente ao protótipo baseado na análise de desempenho do equipamento
1.2) Justificativa
A idéia geral para a construção de um protótipo de uma mesa de coordenadas CNC partiu da seguinte necessidade: obter um protótipo para testes e estudo de softwares e/ou rotinas computacionais de integração projeto-manufatura, ou software CAD/CAM, e assim incentivar a pesquisa e iniciação científica em torno de tecnologias de comando numérico computadorizado, possibilitando estudos de linguagens de programação, a fim de confeccionar diversas versões de softwares CAD/CAM.
Uma outra idéia que fundamenta este trabalho é o estudo de concepções para máquinas de comando numérico no ramo da usinagem, em especial para processos de corte de metais, que tornem tais equipamentos mais acessíveis, ou seja, com custo de aquisição mais baixo, e de fácil manuseio.
2) Desenvolvimento
Pode-se considerar que o corte de materiais é uma das mais importantes etapas na cadeia dos aços. Tanto as chapas prontas devem ser cortadas em peças para seu destino final, como as sucatas devem ser cortadas em peças de menores dimensões para facilitar seu processamento posterior. Podemos dividir os cortes em:
- Mecânicos: Corte por cisalhamento através de guilhotinas, tesouras ou similares e por remoção de cavacos através de serras ou usinagem.
- Por fusão do metal: Corte através da fusão de uma fina camada do material utilizando-se uma fonte de calor que pode ser um arco elétrico, plasma ou maçarico.
- Por combinação de fusão e vaporização. Processos de corte que utilizam o princípio da concentração de energia como característica principal de funcionamento, não importando se a fonte de energia é química, mecânica ou elétrica. Enquadram-se neste grupo o corte por jato d'água de elevada pressão, LASER e algumas variantes do processo plasma.
- Por reação química: Corte combinado envolvendo os seguintes mecanismos: aquecimento através de chama e reações exotérmicas, seguido de oxidação do metal e posterior expulsão através de jato de oxigênio. Ex. corte oxi-combustível, o Oxicorte.
De todos estes métodos, há uma particular preferência pelo Oxicorte devido a ser o processo mais barato de implementar, com equipamentos mais simples, com a maior facilidade de treinamento do operador e, particularmente na faixa de espessuras maiores que 30 mm, ser o processo que propicia o menor custo por metro cortado.
2.1) Princípio de Operação e Funcionamento
As máquinas CNC encontradas no mercado, como o centro de usinagem em questão não são máquinas de fácil operação, necessitando de um operador treinado para operá-la. Por isso, seria necessária a disponibilidade de uma máquina de comando numérico, de fácil manuseio para efetuar pesquisas com softwares CAD/CAM e testes de programas de comando numérico para processos de corte de metais.
As principais características técnicas a serem observadas em uma máquina de corte são:
- Capacidade de corte
- Ângulo de inclinação do maçarico
- Velocidade de corte
- Quantidade de maçaricos suportada
- Área útil de corte (para máquinas estacionárias)
- Estabilidade do conjunto
- Quantidade de mesas para processamento de chapas
Na temperatura ambiente e na presença de oxigênio, o ferro se oxida lentamente. À medida que a temperatura se eleva, esta oxidação se acelera, tornando-se praticamente instantânea a 1350°C. Nesta temperatura, chamada de temperatura de oxidação viva, o calor fornecido pela reação é suficiente para liquefazer o óxido formado e realimentar a reação. O óxido no estado líquido se escoa expulso pelo jato de oxigênio, permitindo o contato do ferro devidamente aquecido com oxigênio puro, o que garante a continuidade ao processo.
O processo baseia-se no aquecimento localizado feito com um maçarico especial de corte. Ao atingir a temperatura de oxidação viva segue-se a injeção de oxigênio através do orifício central do bico de corte fixado no maçarico, até a obtenção do corte desejado.
Figura 1 - Estrutura da mesa de oxicorte – NAFA/CT, (fonte V. Löbler).
As condições básicas para a ocorrência do Oxicorte são as seguintes:
- a temperatura de início de oxidação viva deve ser inferior à temperatura de fusão do metal.
- a reação deve ser suficientemente exotérmica para manter a peça na temperatura de início de oxidação viva.
- os óxidos formados devem ser líquidos na temperatura de Oxicorte facilitando seu escoamento para possibilitar a continuidade do processo.
- o material a ser cortado deve ter baixa condutividade térmica.
- os óxidos formados devem ter alta fluidez.
Para a obtenção da chama oxi-combustível, são necessários pelo menos dois gases, sendo um deles o oxidante (Oxigênio) e o outro o combustível, podendo este ser puro ou mistura com mais de um gás combustível.
São vários os gases combustíveis que podem ser utilizados para ignição e manutenção da chama de aquecimento. Entre estes podemos citar: acetileno, propano, propileno, hidrogênio, GLP e até mesma mistura destes.
A natureza do gás combustível influi na temperatura da chama, no consumo de oxigênio e conseqüentemente no custo final do processo. Na figura 2 é mostrada a combustão de diferentes gases combustíveis, podendo se ver na abscissa o volume de oxigênio consumido para a combustão completa e na linha das ordenadas a temperatura máxima atingida.
Veja algumas curvas estequiométricas de diversos combustíveis.
Figura 2 - Curvas estequiométricas de diversos combustíveis (Fonte Infosolda)
2.1.1) Equipamentos
Em sua configuração mais simples, uma estação de trabalho deve ter no mínimo os seguintes equipamentos para execução do processo:
- Um cilindro ou instalação centralizada para gás combustível.
- Um cilindro ou instalação centralizada para o O2.
- Duas mangueiras de alta pressão para condução dos gases, podendo ser três se utilizar maçarico com entradas separadas para o O2 de corte e o de aquecimento.
- Um maçarico de corte.
- Um regulador de pressão para oxigênio, podendo ser dois nos casos de maçarico com duas entradas de oxigênio.
- Um regulador de pressão para o gás combustível.
- Dispositivos de segurança (válvulas unidirecionais e anti-retrocesso de chama).
Em seguida é apresentada uma outra vista com visão para equipamentos de suporte de chapa de corte e também o maçarico.
Figura 3 – Vista de partes com suporte de elementos da mesa, (Fonte V. Löbler)
2.1.2) Variáveis Envolvidas no Processo
Pré-aquecimento do metal de base:
Espessura a ser cortada:
Grau de pureza do material a ser cortado:
Pressão e vazão dos gases:
Velocidade de avanço do maçarico
Grau de pureza do oxigênio.
2.2) Verificações no Processo
Na execução do Oxicorte manual as verificações principais encontram-se no estado do maçarico, bicos e mangueiras, uma vez que este tipo de corte não permite grande precisão na velocidade de corte nem na distância bico/peça. Já no corte automatizado, algumas verificações devem ser feitas antes da operação visando assegurar a qualidade e manutenção da qualidade de corte.
A chapa: Deve estar nivelada sobre a mesa, esta verificação é feita com o auxílio de um nível.
O maçarico: Deverá estar perpendicular a chapa, excetuando-se cortes especiais inclinados.
O bico: A distância correta do bico/peça tem grande influência na qualidade de corte, as tabelas dos fabricantes mostram quais as distâncias corretas para cada tipo de bico e espessura da chapa.
Qualquer material submetido a variações térmicas está sujeito a sofrer dilatações. Nos processos de corte e soldagem as dilatações são pontuais e causam deformações, uma vez que as regiões adjacentes ao corte estão frias servindo como um vínculo mecânico.
Durante o corte não há uma deformação homogênea da peça, e quando esta se resfria as partes que sofreram dilatação se contraem, provocando o aumento da tensão residual e deformação da peça.
Este efeito deve ser considerado na hora da elaboração do procedimento de corte, que deve levar em conta tanto a seqüência como as regiões da chapa de onde serão retiradas as peças.
2.2.1) Defeitos de Corte
Figura 4: Defeitos e continuidades do Oxicorte, (Fonte Infosolda)
2.3) Vantagens
- Disponibilidade: Diversos podem ser os gases combustíveis e o O2 por sua vez é encontrado em toda a atmosfera. Além disto, o processo não necessita eletricidade.
- Pequeno investimento inicial: Os materiais necessários como maçaricos, reguladores e mangueiras são relativamente baratos se comparados a outros processos de corte tais como plasma ou LASER.
- Facilidade operacional: O processo é de fácil aprendizagem e não possui muitas variáveis, sendo assim de fácil operação.
2.4) Desvantagens
- Restrições: Em função das condições necessárias para corte anteriormente descritas, a
diversos metais usados industrialmente tais como aço inoxidável, níquel, alumínio, cobre e suas ligas, não podem ser cortados por este processo.
- Portabilidade: Os materiais periféricos como cilindros de gás, são pesados e de difícil manuseio, o que dificulta o acesso a lugares altos ou postos de trabalho que se
encontrem afastados dos cilindros. Uma solução encontrada para sanar esta limitação é o transporte de todo o conjunto, fato este expõe a riscos adicionais como queda dos cilindros ou danificação das mangueiras condutoras de gases.
- Segurança: A constante manipulação de cilindros de O2 que, além de ser um gás comburente está sob alta pressão, requer a utilização de ferramental e procedimentos adequados para se evitar vazamentos e explosões. As mangueiras e válvulas (reguladoras e anti-retrocesso) devem ser constantemente inspecionadas em sua funcionalidade e estanqueidade.
3) Conclusão
Espera-se que as informações coletadas e as conclusões desse trabalho sejam de grande ajuda para trabalhos futuros, e que o objetivo de analisar desempenho nesta mesa de coordenadas para efetuar trabalhos de pesquisa seja concretizado.
O presente trabalho contou com a aplicação de diferentes áreas da engenharia mecânica o que proporcionou um bom compreendimento do processo de Oxicorte integrado por disciplinas como processos de corte, materiais de construção mecânica e elementos de máquinas, bem como, a importante análise de todo o processo envolvido no método de Oxicorte.
4) Referências Bibliográficas
CortePlasma.Disponívelem<http://www.abssoldagem.org.br/centraladm/docs/revistas/CortePlasma1.pdf> Acesso em 10 de maio de 2008.
Durigon, Anderson Luiz. Projeto mecânico de uma mesa de coordenadas com comando cnc dedicada ao oxicorte. Trabalho de conclusão de curso da Universidade Federal de Santa Maria, curso de Engenharia Mecânica, 2006.
Fuentes, M. Eng. Rodrigo Cardozo. Apostila de Automação Industrial, Curso Eletrotécnica- Colégio técnico Industrial de Santa Maria.
Manual de Estrutura E Apresentação de Monografias, Dissertações E Teses (MDT). Santa Maria: E. UFSM, 2006.
Mundo CNC. Disponível em <http://www.mundocnc.com.br/> Acesso em 8 de maio de 2005.
Norton, Robert L.. Projeto de Máquinas, Uma Abordagem Integrada, 2ª Edição Bookman, 2004.
Oxicorte.Disponívelem<http://www.metalica.com.br/pg_dinamica/bin/pg_dinamica.php?id_pag=703>. Acesso em 10 de maio de 2007.
Portal Infosolda. Disponível em <http://www.infosolda.com.br/>. Acesso em 10 de abril de 2007.
PROVENZA, Francesco. PRO-TEC: Desenhista de Máquinas. 1. ed. São Paulo: Editora F. Provenza, 1960.
PROVENZA, Francesco. PRO-TEC: Projetista de Máquinas. 1. ed. São Paulo: Editora F. Provenza, 1960.
Autor: Vinicius Löbler
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