Estudo comparativo de materiais utilizados em navalhas para picadores florestais

Estudo comparativo de materiais utilizados em navalhas para picadores florestais

(Parte 1 de 6)

UNIVERSIDADE DE PASSO FUNDO Faculdade de Engenharia e Arquitetura Curso de Engenharia Mecânica

Estudo comparativo de materiais utilizados em navalhas para picador florestal

Trabalho Final de Graduação I

Aluno: William Baioto Orientador: Prof. Msc. Charles Leonardo Israel

Passo Fundo 2009

UNIVERSIDADE DE PASSO FUNDO Faculdade de Engenharia e Arquitetura Curso de Engenharia Mecânica

Estudo comparativo de materiais utilizados em navalhas para picador florestal

Monografia apresentada no curso de Engenharia Mecânica da Universidade de Passo Fundo como pré-requisito para a aprovação na disciplina Trabalho Final de Graduação I.

Aluno: William Baioto Orientador: Prof. MsC. Charles Leonardo Israel

Passo Fundo 2009

William Baioto

Estudo Comparativo de materiais utilizados em navalhas para picador florestal Monografia Apresentada no curso de Engenharia Mecânica da Universidade de Passo Fundo como pré-requisito para a aprovação na disciplina Trabalho Final de Graduação I.

__provado em junho de 2009 Banca Examinadora

_ Prof. Doutorando – Orientador: Charles L. Israel

Universidade de Passo Fundo Engenharia Mecânica

Prof. Dr. Nilson Luiz Mazieiro Universidade de Passo Fundo Engenharia Mecânica

Prof. Dr. Vagner Alves Guimarães

Universidade de Passo Fundo Engenharia Mecânica

Passo Fundo 2009

Nem tudo que se enfrenta pode ser modificado,

Mas nada pode ser modificado até que seja enfrentado. Albert Einstein

1 INTRODUÇÃO1
1.1 Problema a Ser Resolvido1
1.1.1 Objetivos12
1.1.2 Metodologia12
2 REVISÃO BIBLIOGRAFICA14
2.1 Madeira14
2.1.1 Propriedades da Madeira14
2.1.2 Usinagem da Madeira15
2.1.3 Madeiras de Trabalho do picador17
2.2 Aços-Ferramentas18
2.2.1 Caracterização do aço-ferramenta18
2.2.2 Classificações dos aços-ferramentas21
2.2.3 Efeitos do teor de carbono nos aços23
2.2.4 Efeitos dos elementos de liga nos aços25
2.3 Tratamento térmico27
2.3.1 Tratamento térmico do aço 104527
2.3.2 Tratamento térmico dos aços-ferramentas27
2.3.2.1 Microestrutura dos aços-ferramenta com tempera e revenido28
2.4 Caracterização do processo de picagem30
3 EXPERIMENTAL3
3.1 Componentes do Picador3
3.2 MATERIAIS36
3.2.1 Material utilizado na navalha atual36
3.2.1.1 Dureza da navalha atual37
3.2.2 Aços-ferramentas analisados para nova navalha37
4 SELEÇÃO DO AÇO FERRAMENTA38
5 ANÁLISE POR ELEMENTOS FINITOS40
5.1 Cálculo da força atuante na navalha40

SUMÁRIO 5.2 Execução da analise no Ansys. ...................................................................................... 45

6 FABRICAÇÃO DAS NAVALHAS46
6.1 Material para fabricação46
6.2 Usinagem47
6.2.1 Custo de usinagem48
6.3 Execução do tratamento térmico48
6.3.1 Custo do tratamento térmico51
6.4 Custo total de cada navalha51
7 PROCEDIMENTO DE TESTES53
8 RESULTADOS E DISCUSÕES5
8.1 Resultados vnd5
8.1.1 Ate à primeira afiação5
8.1.2 Desempenho após primeira afiação59
8.1.3 Desempenho após a segunda afiação61
8.2 Comparação entre as afiações da navalha de vnd62
(ANOVA)63
10 CONCLUSÕES65

6 9 COMPARAÇÃO DOS RESULTADOS ATRAVÉS DE ANÁLISE DE VARIÂNCIA 1 BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................... 67

Figura 1: Fluxograma de estrutura do estudo13
Figura 2: Estrutura macroscópica da madeira14
Figura 3: Composição da madeira (REMADE, 2006)15
Figura 4: Tensão/Dureza versus Teor de carbono24
Figura 5: Alongamento/Resistência a o impacto versus teor de carbono24
constituintes (KENNEDY, 1998)29
Figura 7: Componentes da árvore que podem ser picados, (REAMADE, 2008)31
Figura 8: A) Resíduo e grua utilizada para alimentar o picador florestal. B) Picador e trator32
Figura 9: C) Esteira alimentadora carregada. D) Cavaco gerado pelo picador32
Figura 10: Rotor de fixação da navalha34
Figura 1: Navalha sendo fixada ao rotor34
Figura 12: Esteira alimentadora e rotor35
Figura 13: Quadro de seleção de aços-ferramentas (Catalogo Gerdau, 2008)38
Figura 14: Modelo sólido da navalha com força aplicada no gume cortante43
Figura 15: Representação da deformação em escala e valores de deformação4
Figura 16: Distribuição do coeficiente de segurança45
Figura 17: Dimensões da navalha46
Figura 18: Material no estado de fornecimento47
Figura 19: A) desbaste na fresa. B) Confecção do gume cortante47
Figura 20: Navalha pronta para o trabalho48
Figura 21: Diagrama Temperatura versus Tempo para o aço 104549
Figura 2: Diagrama Temperatura Versus Tempo para vnd (O1)50
Figura 23: A) Planicidade aço SAE 1045B) Planicidade aço-ferramenta VND. ...................... 51
Figura 24: Posicionamento das navalhas53
Figura 25: Fixação da navalha54
Figura 26: Espaçamento entre as medições e posição medida L56
Figura 27: Perda dimensional da navalha de vnd após o trabalho57

LISTA DE FIGURAS Figura 6: Microestrutura dos aços ferramentas temperados e revenidos e seus principais Figura 28: Perda dimensional da navalha de k329 após o trabalho............................................... 57

Figura 29: Quebras do gume cortante da navalha de vnd58
Figura 30: Quebras do gume cortante da navalha de k32958
Figura 31: Visual do desgaste na região do lado da grua para navalha de vnd60
Figura 32: Visual do desgaste na região do lado da grua para a navalha de k32960
Figura 3: Aspecto do gume cortante após segunda afiação (vnd)61
Figura 34: Perda dimensional versus horas trabalhadas em cada afiação62

8 Figura 35: Desgaste dimensional das navalhas. ............................................................................ 63

Tabela 1: Espécies e suas densidades e pressões especificas de corte18
relacionadas29
Tabela 3: Dados técnicos do picador Planalto Modelo PFP 250X60035
Tabela 4: Composição química do aço utilizado na navalha atual36
navalha37
Tabela 6:Preços pr Kg dos aços-ferramentas39
Tabela 7: Custo total das navalhas52
Tabela 8: Dimensões das quebras nas navalhas59

LISTA DE TABELAS Tabela 2: Principais constituintes microestruturais do aço-ferrementa e suas propriedades Tabela 5: Materiais e suas composições químicas a serem analisados para construção da nova Tabela 9: Resultados ANOVA ate a primeira afiação. .................................................................. 64

PSF – Ponto de saturação das fibras VND- Aço ferramenta AISI O1 INDA- Instituto Nacional de Distribuidores de Aço INFOMET – Informe Metalúrgico KS1- Pressão Especifica de corte 1-Z – Coeficiente adimensional usado para cálculo da potencia de corte da madeira H X- Classe de aços-ferramentas para trabalho a quente PC- Potência de corte usada pra cortar a madeira AISI – Instituto Americano do ferro e aço ANSYS- Software de analise de elementos finitos HRC- Unidade de medida de dureza superficial SAE – Sociedade de engenheiros da mobilidade

1 INTRODUÇÃO

O Picador florestal é utilizado no processo de picagem de galhos, copas, cascas e raízes de árvores, que restam após a colheita na área de reflorestamento. Estes resíduos florestais (ou resíduos de colheita) remanescentes são transformados através da picagem em cavacos.

O cavaco produzido pode ser denominado de biomassa, pois é uma alternativa de energia renovável, e, sua utilização tem sido estimulada por leis e normas, pois contribui para geração de empregos e conservação do meio ambiente, evitando queimadas na área de colheita.

A Picagem é feita através de navalhas, fabricadas com aço ferramenta de trabalho a frio, que se caracterizam por sua elevada dureza e resistência abrasão associada à boa tenacidade, essas características são obtidas pela adição de teores de carbono relativamente elevadas juntamente com elementos de liga e um apropriado tratamento térmico.

Os aços ferramentas têm custo elevado quando comparados com um aço comum, assim a analise do emprego de aço-ferramenta ou aço comum para o trabalho exigido tem grande importância para a obtenção de uma otimizada relação Custo versus Vida Útil da ferramenta.

1.1 Problema a Ser Resolvido

A navalha utilizada atualmente no picador estudado deve ser reafiada a cada 10 horas de trabalho, assim provocando um desgaste excessivo da ferramenta, a qual possui um limite de reafiações que varia em média de 4 a 5 vezes. Ultrapassado o limite de reafiações é necessária a substituição da navalha, o que ocorre em média a cada 5 dias úteis, uma vez que a maquina trabalha 10 horas/dia.

O custo da navalha é considerado elevado, principalmente pela alta quantidade de reposições necessárias.

Assim o problema a ser estudado visa a analise de um aço-ferramenta que apresente propriedades compatíveis com as propriedades exigidas para materiais que trabalham com madeira e apresente um custo reduzido.

Outra abordagem do estudo será a analise de viabilidade e comportamento do uso de um aço carbono SAE 1045, o qual reduziria consideravelmente o custo do material. A abordagem conclusiva analisará qual material apresentará melhor relação Custo versus Vida útil entre os aços-ferramenta e o comportamento do aço 1045 nesse tipo de trabalho.

1.1.1 Objetivos

Realizar o estudo e analise das características dos aços ferramentas com objetivo de obter uma nova navalha para o picador florestal, visando assegurar o mesmo rendimento da navalha atual, porem com o custo reduzido.

Analisar através de simulações e testes na maquina a viabilidade do emprego do aço carbono tratado termicamente 1045, gerando assim uma comparação entre o aço ferramenta selecionado, o aço 1045 e o aço-ferramenta utilizado atualmente, observando a relação Custo versus Vida Útil da navalha.

1.1.2 Metodologia

Será realizada a revisão bibliográfica sobre a madeira e sua usinagem, processo de picagem e suas características, serão apresentadas propriedades dos aços ferramentas e a influência dos elementos de liga adicionados na composição do material, juntamente com os tratamentos térmicos utilizados para aços. A caracterização dos materiais utilizados será feita através de analise de composição química, sendo que será feita uma analise de vida em fadiga por elementos finitos para o aço 1045.

Serão desenvolvidos 2 (dois) corpos de prova, sendo um aço ferramenta e outro aço 1045, os quais serão tratados termicamente para a avaliação do comportamento efetivo na maquina, gerando a comparação dos resultados identificando a melhor opção para a picagem de resíduos florestais. Após os teste será realizado uma analise comparativa de custos entre o aço-ferramenta e o aço 1045, utilizando como base os resultados obtidos com a navalha atual. Na figura 1 é mostrado um diagrama com a estrutura do estudo.

Figura 1: Fluxograma de estrutura do estudo Navalha atual

Estudo de mat. alternativos

Aço SAE 1045 Aço-ferramenta

Seleção do

Aço-ferramenta

Analise de Elementos finitos

Construção Das navalhas

(Parte 1 de 6)

Comentários