processo de fabricação (3)

processo de fabricação (3)

(Parte 1 de 6)

Universidade do Vale do Itajaí

Campus VII - São José UNIVALIDireção do Centro de Educação Superior

PROCESSOS DE FABRICAÇÃO I UNIDADE 1

Curso de Engenharia Industrial Mecânica

Prof. Dr. Eng. Cláudio Roberto Losekann AGOSTO/2001

ÍNDICE ANALÍTICOI
ÍNDICE DE FIGURASV
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO1
1 - INTRODUÇÃO1
1.1 - FUNDIÇÃO5
1.2 - USINAGEM5
1.3 - SOLDAGEM6
1.4 - METALURGIA DO PÓ6
1.5 - CONFORMAÇÃO MECÂNICA7
2 - ENSAIOS MECÂNICOS8
2.1 - INTRODUÇÃO8
2.2 - DEFINIÇÃO10
2.2.1 - PROPRIEDADES MECÂNICAS10
2.3 - TIPOS DE ENSAIOS MECÂNICOS12
2.3.1 - ENSAIO DE TRAÇÃO13
2.3.1.1 - Diagrama tensão - deformação15
2.3.1.2 - Propriedades mecânicas avaliadas18
2.3.1.3 - Corpos de prova2
2.3.1.4 - Limite de escoamento: valores convencionais26
2.3.2 - ENSAIO DE COMPRESSÃO27
2.3.2.1 - Limitações do ensaio de compressão28
2.3.2.2 - Ensaio de compressão em materiais dúcteis29
2.3.2.3 - Ensaio de compressão diametral29
2.3.3 - ENSAIO DE FLEXÃO35
2.3.3.1 - Significado de flexão35
2.3.3.2 - Método do ensaio de flexão39
2.3.4 - ENSAIO DE DUREZA41
2.3.4.1 - Dureza Brinell43
2.3.4.2 - Dureza Meyer48
2.3.4.3 - Dureza Rockwell49
2.3.4.4 - Dureza Vickers5
2.3.4.6 - Dureza Shore60
2.3.4.7 -Considerações finais61
2.3.5 - ENSAIO DE IMPACTO65
2.3.5.1 - Descrição do Ensaio de Impacto67
2.3.6 - ENSAIOS METALOGRÁFICOS76
2.3.6.1 - Ensaio metalográfico macrográfico7
2.3.6.2 - Ensaio metalográfico micrográfico7
3 - AJUSTAGEM87
3.1 - INTRODUÇÃO87
3.2 - DEFINIÇÃO87
3.2.1 - LIMAGEM8
3.2.1.1 - Critério para a escolha da ferramenta8
3.2.1.2 - Classificação geral das limas91
3.2.1.3 - Informações gerais94
3.2.2 - TRAÇAGEM95
3.2.2.1 -Tipos de traçado95
3.2.2.2. - Materiais de traçagem96
3.2.3 - SERRAMENTO100
3.2.4 - FURAÇÃO102
3.2.4.1 - Tipos de furação102
3.2.4.2 - Tipos de furadeiras103
3.2.4.3 - Brocas105
3.2.4.4 - Parâmetros de furação108
3.2.4.5 - Escareadores109
3.2.5 - ROSCAMENTO109
3.2.5.1 - Machos1
3.2.5.2 - Cossinetes112
3.2.5.3 - Tipos de roscamento113
4 - USINAGEM118
4.1 - INTRODUÇÃO118
4.2 - PROCESSOS CONVENCIONAIS DE USINAGEM118
4.2.1 - AFIAÇÃO119
4.2.2 - ALARGAMENTO119
4.2.3 - APLAINAMENTO120
4.2.4 - BROCHAMENTO123
4.2.5 - BRUNIMENTO123
4.2.6 - DENTEAMENTO124
4.2.7 - ESPELHAMENTO125
4.2.9 - FURAÇÃO130
4.2.10 - JATEAMENTO132
4.2.1 - LAPIDAÇÃO132
4.2.12 - LIXAMENTO132
4.2.13 - MANDRILAMENTO133
4.2.14 - POLIMENTO134
4.2.15 - ROSQUEAMENTO135
4.2.16 - RASQUETEAMENTO135
4.2.17 - RETIFICAÇÃO135
4.2.18 - SERRAMENTO138
4.2.19 - TORNEAMENTO139
4.3 - PROCESSOS NÃO CONVENCIONAIS DE USINAGEM142
4.3.1 - USINAGEM QUÍMICA142
4.3.2 - USINAGEM POR FEIXE ELETRÔNICO142
4.3.3 - USINAGEM POR LASER143
4.3.4 - USINAGEM POR ULTRA-SOM143
4.3.5 - USINAGEM ELETROQUÍMICA144
4.3.6 - ELETROEROSÃO A FIO144
4.3.7 - ELETROEROSÃO POR PENETRAÇÃO145

FIGURA 1.1 - Esquema dos processos de fabricação no contexto atual.3 FIGURA 1.2 - Extrusão de cerâmica e Injeção de plástico4 FIGURA 1.3 - Fundição em cera perdida.5 FIGURA 1.4 - Metalurgia do pó.7

FIGURA 2.1 - Equipamentos de ensaios mecânicos. a) Máquina de ensaio universal; b) Durômetro.1

FIGURA 2.2 - Peça tracionada.13 FIGURA 2.3 - Tensão de tração.13

FIGURA 2.4 - Corpo de prova de ensaio de tração. a) antes do ensaio; b) após o ensaio. 14

FIGURA 2.5 - Comportamento dos materiais através do diagrama ssx e.16 FIGURA 2.6 - Material dúctil. a) diagrama s x e; b) aspecto da fratura.17 FIGURA 2.7 - Material frágil. a) diagrama s x e; b) aspecto da fratura.18

FIGURA 2.21 - Esquema de esforços aplicados em um corpo de prova cilíndrico de dimensões D e L.30

FIGURA 2.2 - Representação esquemática da distribuição das tensões de compressão e de tração.30

FIGURA 2.23 - Ensaios em molas.31 8) O Que é limite de escoamento?34 FIGURA 2.24 - Flexão em uma barra de secção retangular.36 FIGURA 2.25 - Elemento da barra submetido a flexão.37

FIGURA 2.26 - Viga em balanço com engaste rígido sendo fletida por uma força F aplicada em sua extremidade.38

FIGURA 2.27 - Método de flexão a três pontos.39 FIGURA 2.28 - Método de flexão a quatro pontos.40

FIGURA 2.40 - Influencia da localização de um corte longitudinal axial sobre o aspecto de segregação.78

FIGURA 2.41 - Esquema de um metal policristalino atacado quimicamente e com feixes incidentes e de reflexão de luz.81

FIGURA 2.42 - Macrografia de uma peça de alumínio fundido com contornos de grãos revelado por ataque com HCl.82

FIGURA 2.43 - Micrografia da perlita.82 FIGURA 3.1 - Limagem.8 FIGURA 3.2 - Limagem em bancada.89 FIGURA 3.3 - Limagem em torno.90 FIGURA 3.4 - Perfis de lima.92 FIGURA 3.5 - Limas rotativas.92 FIGURA 3.6 - Limas especiais.93 FIGURA 3.7 - Características gerais das limas.94 FIGURA 3.8 - Traçado no plano.96 FIGURA 3.9 - Traçado no espaço.96 FIGURA 3.10 - Tipos de esquadro.97 FIGURA 3.1 - Graminho.98 FIGURA 3.12 - Goniômetro.98 FIGURA 3.13 - Compasso.9

FIGURA 3.14 - Calço de apoio simples e forma de T para grandes apoios.9 FIGURA 3.15 - Serra manual.100 FIGURA 3.16 - Direção de corte.100 FIGURA 3.17 - Serras circulares. a) caso 1; b) caso 2.101 FIGURA 3.18 - Serras contínuas.102 FIGURA 3.19 - Etapas da furação.102 FIGURA 3.20 - Furadeira de bancada.103 FIGURA 3.21 - Furadeira de coluna.103 FIGURA 3.2 - Furadeira radial.104 FIGURA 3.23 - Furadeira de coordenadas.105 FIGURA 3.24 - Broca.106 FIGURA 3.25 - Ponta da broca.106 FIGURA 3.26 - Ângulo da ponta.107 FIGURA 3.27 - Ângulo de folga.108 FIGURA 3.28 - Escareadores.109 FIGURA 3.29 - Pente para determinação de rosca.110 FIGURA 3.30 - Macho desbastador.1 FIGURA 3.31 - Desandador.112 FIGURA 3.32 - Cossinete de entrada helicoidal.113 FIGURA 3.3 - Roscamento externo com cossinete.113 FIGURA 3.34 - Roscamento externo com ferramenta de perfil múltiplo.114 FIGURA 3.35 - Roscamento externo com ferramenta de perfil único.114 FIGURA 3.36 - Roscamento externo com fresa de perfil múltiplo.115 FIGURA 3.37 - Roscamento externo com com jogo de pentes.116 FIGURA 3.38 - Roscamento interno com macho.117 FIGURA 4.1 - Afiação.119 FIGURA 4.2 - Cilíndrico de acabamento.120 FIGURA 4.3 - a) Cônico de acabamento, b) Cônico de desbaste.120 FIGURA 4.4 - Aplainamento de guias.121 FIGURA 4.5 - Aplainamento de perfis.121 FIGURA 4.6 - Aplainamento de ranhuras T.121 FIGURA 4.7 - Aplainamento de rasgos.122 FIGURA 4.8 - Aplainamento de rasgo de chavetas.122 FIGURA 4.9 - Aplainamento de superfícies cilíndricas de revolução.122

FIGURA 4.10 - Brochamento externo e interno.123 FIGURA 4.1 - Brunimento.124 FIGURA 4.12 - Denteamento.125 FIGURA 4.13 - Espelhamento cilíndrico.125 FIGURA 4.14 - Espelhamento plano.126 FIGURA 4.15 - Fresamento cilíndrico tangencial de topo.127 FIGURA 4.16 - Fresamento tangencial concordante.127 FIGURA 4.17 - Fresamento tangencial disconcordante.127 FIGURA 4.18 - Fresamento tangencial de perfil.128 FIGURA 4.19 - Fresamento frontal.128 FIGURA 4.20 - Fresamento frontal de canaleta.129 FIGURA 4.21 - Fresamento frontal rabo de andorinha.129 FIGURA 4.2 - Fresamento composto.130 FIGURA 4.23 - Furação em cheio.131 FIGURA 4.24 - Furação de centro.131 FIGURA 4.25 - Trepanação.131 FIGURA 4.26 - Lapidação.132 FIGURA 4.27 - Lixamento com fita e folhas.133 FIGURA 4.28 - Mandrilamento cilíndrico.133 FIGURA 4.29 - Mandrilamento cônico.134 FIGURA 4.30 - Mandrilamento esférico.134 FIGURA 4.31 - Polimento.135 FIGURA 4.38 - Torneamento cilíndrico externo.140 FIGURA 4.39 - Faceamento.140 FIGURA 4.40 - Sangramento axial e radial.140 FIGURA 4.41 - Perfilamento.141 FIGURA 4.42 - Torneamento curvilíneo.141 FIGURA 4.43 - Usinagem por feixe de elétrons.142 FIGURA 4.4 - Usinagem por laser.143 FIGURA 4.45 - Usinagem por ultra-som.144 FIGURA 4.46 - Eletroerosão a fio.145 FIGURA 4.47 - Eletroerosão por penetração.145

1 - INTRODUÇÃO

Generalizar processos de fabricação como uma área de metal-mecânica é um erro tão grande quanto as inquisições imposta pela igreja cristã entre os séculos XIII e XVI, isto é, os processos de fabricação estão relacionadas com materiais e produtos, cujo destino é o consumidor. Embora existe uma série de produtos que tem um conjunto de materiais diferentes, como um automóvel, cuja fabricação das partes são tercerizadas no contexto da globalização, pode-se considerar comuns os processos de fabricação em determinados áreas afins. Na atualidada, as áreas afins de indústria são: a indústria metal-mecânica, cujo produto principal de fabricação tem como base o aço, o ferro-fundido, ligas de alumínio e ligas de cobre; a indústria de cerâmicas, cujo produto de fabricação de maior consumo é aquele considerado cerâmica convencional (vasos, pratos, pisos, revestimentos, e outros); a indústria de plásticos, que tem como base a fabricação de plásticos de utensílios domésticos; a indústria agro-industrial, que de uma certa forma utiliza os mais diferentes produtos dos outros tipos de indústrias citadas anteriormente e poderia ser citada também a indústria de informática. Todas estas indústrias são de transformação e utilizam os mais diferentes tipos de processos de fabricação. Através dos processos de fabricação utilizados nestes grupos principais de indústrias, houve uma evolução de novos materiais como os “compósitos”, que pode ser metal-plástico, metal-cerâmica, cerâmica-plástico. Não cabe discutir neste tema definições de materiais como plásticos ou cerâmicas, que ambos podem ser classificados como polímeros.

O processo de fabricação de injeção de plástico, bem como a metalurgia do pó, evoluíram do processo de fabricação de cerâmica, que tem sua origem com o início da civilização. A própria civilização está em constante mutação, mas as transformações são lentas. Por isto, faz-se necessário lembrar pontos históricos para explicar processos de fabricação.

Um dos processos de fabricação mais antigo é o processo de fundição. Utilizado pela civilização desde 4.0 a.C. a 3.0 a.C., iniciando-se com o processo de fundição de cobre, seguindo com o bronze e posteriormente com o ferro, por causa do seu elevado ponto de fusão. Estima-se que o homem das cavernas conhecia o ferro e suas origens como matéria prima para a fabricação de armas e implementos agrícolas. Naquela época, o ferro era considerado metal nobre e precioso, sendo utilizado quase que exclusivamente para aqueles fins e também como metal de adorno. Com o passar do tempo, o homem descobriu outras utilidades que o minério de ferro poderia proporcioná-los.

Em fornos rudimentares, construídos nas encostas das colinas e aproveitando o fluxo do vento para intensificar a combustão da lenha, esse processo aumentava a produção de metal fundido, fruto da redução direta do metal pela queima de lenha. Na Idade Média, a Europa considerava a produção de ferro de suma importância. Nessa época, obtinha-se um tipo grosseiro de ferro fundido pela redução direta do minério, sem a obtenção direta do ferro gusa. Isso implicava na obtenção de uma massa pastosa que, ao solidificar, tornava-se frágil e quebradiça, o que obrigava sua aplicação por meio de forjados excessivamente pesados e maciços, em geral, espadas, adagas e machados de difícil manejo. Daí em diante, o processo se desenvolveu cada vez mais. Somente nos últimos séculos vêm sido utilizado a cerâmica em fornos de fundição para controlar o calor no processo de fundição.

Por volta de 1.450 é que se iniciou a obtenção intermediária do ferro gusa, já que se conseguiam maiores temperaturas nos processos então utilizados. Em conseqüência, o ferro absorvia maior quantidade de carbono (do carvão vegetal), formando o ferro gusa que escorria de forma não pastosa, permitindo seu melhor manuseio. Em 1.640, foi desenvolvido o primeiro alto-forno para produção de ferro gusa. Nessa época, a indústria siderúrgica passou a ocupar um papel mais preponderante nas atividades comerciais e na economia dos países ocidentais, entretanto o consumo de carvão vegetal para a produção de ferro, provocou uma devastação florestal de repercussão danosa.

Somente em 1.710, período da Revolução Industrial, é que se revigorou, na Grã- Bretanha, o uso industrial do coque (derivado do carvão mineral) como substituto do carvão vegetal na redução do minério de ferro, provocando um novo e importante impulso na atividade siderúrgica. Entretanto, essas evoluções da fundição, decorriam da indústria têxtil, visto que, neste período, a produção do tecido de lã não atendia a demanda. Invenções como a máquina de fusos múltiplos produziam rapidamente maior quantidade de fio, especialmente de algodão, que era importado dos Estados Unidos, tornando-se vital para a indústria têxtil da Grã-Bretanha. Mais aparelhos de fiação como: o “water frame” - bastidor de fiação de algodão movido a água - e a máquina de fiação (1.770), o tear mecânico de Cartwright, que podia ser operado por mão-de-obra não especializada, marcou o fim da tecelagem manual. Desta forma, aumentava a produção têxtil e conseqëntemente a produção de equipamentos para fabricação destas máquinas. A descoberta do motor a vapor, do aço e posteriormente a eletricidade contribuíram de forma significativa a evolução dos processos de fabricação.

No contexto atual os processo de fabricação de produtos de consumo estão interligados. A figura abaixo mostra, de uma forma resumida, estas interligações.

Matéria-prima

Processo de fabricação Metal-mecânica

Processo de fabricação Plástico

Processo de fabricação Cerâmica

Consumidor

FIGURA 1.1 - Esquema dos processos de fabricação no contexto atual.

A figura abaixo mostra o processo de extrusão de cerâmica e de injeção de plástico. A metalurgia do pó utiliza o mesmo processo da injeção de plástico com algumas alterações.

FIGURA 1.2 - Extrusão de cerâmica e Injeção de plástico

A fabricação pode ser definida como a arte e a ciência de transformar os materiais em produtos finais utilizáveis e - num contexto de economia de mercado - rentáveis. O processo global de fabricação é uma série de interações complexas entre materiais, máquinas, pessoas e energia, começando com a criação de peças individuais que irão finalmente constituir, através de operações de montagem, um produto final.

Na seleção dos materiais para as peças, tem-se em vista as características exigidas das peças e o seu comportamento nos sistemas que farão partes; e, por outro lado, as propriedades que os materiais devem apresentar para atender adequadamente as características exigidas com custo mínimo e a vida útil esperada. A escolha do processo de fabricação é feita considerando-se as características de trabalho das peças, seu material, forma e dimensões, o número de unidades a produzir, a taxa de produção, a vida útil requerida de cada unidade e o grau e precisão e acabamento estipulados. Sempre existe uma interação entre o material da peça e o processo de fabricação, na qual um exerce restrições sobre o outro, sendo esta, portanto, consideração essencial, na maioria dos casos, para seleção de ambos.

No caso particular dos metais, que são um dos materiais mais empregados na construção mecânica, sua obtenção se inicia com extração e refino do minério e vem, geralmente, seguido da fusão para obtenção do metal na forma líquida e, posteriormente, convertê-lo em formas (grânulos, barras, pós) que possam ser convenientemente utilizadas nos diversos processos de fabricação. Os processos de fabricação na indústria metal-mecânica

podem ser agrupados em cinco classes principais: fundição, usinagem, soldagem, metalurgia do pó e conformação mecânica.

1.1 - FUNDIÇÃO

O metal, no estado líquido, é vazado dentro de um molde (de gesso, de areia, metálico, etc. ), que é um negativo da peça a ser obtida contendo algumas alterações próprias das técnicas de fundição, e solidifica-se na forma desejada. Trata-se de um capaz de fornecer uma variedade de formas. Por outro lado, as peças podem facilmente apresentar defeitos decorrentes do processo, tais como: bolhas de ar, vazios ou rechupes e sua estrutura é geralmente dendrítica (grãos colunares e grosseiros).

FIGURA 1.3 - Fundição em cera perdida.

1.2 - USINAGEM

Consiste na remoção (arrancamento) de partículas de material de um bloco ou forma bruta, até atingir a forma desejada. É efetuada com o auxílio de ferramentas adequadas de material duro em máquinas especiais (tornos, plainas, fresadoras. retificadoras, etc.) ou, tomada em seu sentido mais amplo, mediante técnicas especiais não mecânicas como a eletroerosão. A usinagem é empregada geralmente para produzir formas com elevada tolerância dimensional, bom acabamento superficial e, freqüentemente, geometrias complexas. A usinagem é uma operação secundária de processamento, uma vez que, em geral, é realizada em uma peça que já foi produzida por um processo primário tal como a laminação, forjamento ou fundição. Como principais desvantagens tem-se: perda de material, morosidade da operação, incapacidade para alterar a microestrutura da peça, não remediando problemas provenientes da fundição.

1.3 - SOLDAGEM

É um conjunto de processos que permitem obter peças pela união de várias partes, estabelecendo a continuidade das propriedades químicas, físicas e mecânicas do material utilizando, ou não, material adicional para servir de ligação (solda ).

1.4 - METALURGIA DO PÓ

A metalurgia do pó consiste na formação de peças através da prensagem de pós (matérias - primas) com o auxílio de ligantes. Uma vez obtido o "corpo - verde", o mesmo é sinterizado em temperaturas específicas com diminuição considerável do volume da peça e um aumento substancial de sua resistência mecânica. A metalurgia do pó tem tido nos últimos anos um grande e acelerado desenvolvimento, conforme dados disponíveis; seu futuro a curto e médio prazo é realmente promissor. Uma das grandes vantagens deste processo tecnológico é poder obter produtos e componentes acabados com uma homogeneidade e precisão dimensional superior a conseguida por outras técnicas e a menor custo para grande produção, devido principalmente a economia de matéria-prima e energia, e a mínima ou nenhuma operação de usinagem.

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