anÁlise das perdas energÉticas no processo de torneamento e levantamento de … · 2020. 3....

Universidade Federal do Paraná Setor de Tecnologia

Curso de Engenharia Mecânica Trabalho de Conclusão de Curso

1º semestre/2018

Orientador: Prof. Dalberto Dias da Costa

* Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Programa de Graduação da Universidade Federal do Paraná, do Setor de Tecnologia, do Curso de Engenharia Mecânica, como requisito parcial à obtenção do título de Bacharel em Engenharia Mecânica.

ANÁLISE DAS PERDAS ENERGÉTICAS NO PROCESSO DE TORNEAMENTO E LEVANTAMENTO DE CURVAS

CARACTERÍSTICAS* Maurício Klein Gussoli, [email protected] 1Universidade Federal do Paraná – Departamento de Engenharia Mecânica. Rua Francisco H. dos Santos, nº. 210 - Centro Politécnico / Setor de Tecnologia - Bairro: Jardim das Américas - Curitiba-PR - CEP: 81531-980 - Caixa Postal: 19011 Resumo Máquinas-ferramentas ocupam grande parte do parque industrial. O cenário atual da

eficiência de máquinas não apresenta normatização para o levantamento de curvas de eficiência

de máquinas-ferramentas. O presente trabalho possui os seguintes objetivos: analisar as perdas na

transmissão de máquinas convencionais e levantar curvas características das máquinas-

ferramentas convencionais. Os experimentos foram conduzidos no Laboratório de Usinagem da

UFPR em um torno mecânico convencional. Mediu-se a potência na entrada da máquina com um

wattímetro e utilizou-se um dinamômetro piezoelétrico para a medição das forças de usinagem. As

rotações foram monitoradas com um tacômetro e cronometrou-se o tempo de aquecimento do

torno para diferentes rotações. A temperatura foi mensurada com um termômetro digital

infravermelho. Analisou-se a correlação entre a potência ativa e a rotação para este torno. O

software de aquisição permitiu a leitura e armazenamento dos dados fornecidos pelo wattímetro e

pelo dinamômetro. Obteve-se 80 minutos de tempo de pré-aquecimento do sistema que resultou em

diferenças de aproximadamente 200W entre o estado frio e aquecido. A correlação entre a

potência ativa e a faixa de rotação é altamente linear e indica a perda total de cada faixa de

rotação. Também a partir dos dados de forças e potências, levantou-se as energias consumidas na

usinagem de uma peça com avanço constante. Dado este cenário, construiu-se curvas

características para a máquina convencional. Tais curvas, que consistem em gráficos do tipo

eficiência versus potência elétrica ou profundidade de corte, indicam a eficiência da máquina para

determinada rotação, dado um diâmetro de peça e variáveis de processo conhecidos. Ainda que os

gráficos indiquem que em maiores rotações, a eficiência tenda a ser maior, nada é indicado se o

limite da máquina foi ultrapassado, qual é a tomada de decisão para um cenário de baixa

eficiência ou qual rotação realmente é a mais eficiente para outros parâmetros de corte. Desta

forma, a pesquisa atendeu as propostas de quantificação de perdas energéticas na transmissão de

uma máquina-ferramenta convencional e o levantamento das curvas características de máquinas.

Palavras-chave: Usinagem, curva característica, eficiência energética, perdas de energia

1. INTRODUÇÃO

O levantamento de energia consumida em processos de usinagem é de suma importância não só econômica, mas também operacional. Otimizar o uso de ferramental, melhorar tempo de processo (takt time), aumento de número de peças usinadas e menor gasto de energia são exemplos de aspectos a serem considerados para se ter eficiência na indústria.

Enquanto a maioria dos métodos estudados e apresentados no cenário da pesquisa sejam baseados em máquinas controladas numericamente (CNC), o estudo do processo convencional quanto à avaliação da sustentabilidade em indústrias de pequeno porte é raramente discutido. Ainda assim, as máquinas convencionais são boas alternativas para usinagem de lotes unitários e/ou



1º semestre/2018


pequenos, além de serem melhor opção para peças grandes (DA COSTA, et al., 2017; DAMBHARE, et al, 2015).

Atualmente, diversos autores estão focados na busca do entendimento de como o fluxo de energia se comporta em máquinas ferramentas. O fluxo, desde a entrada na rede elétrica até a usinagem propriamente dita, é trabalhado de diversas formas, desde fluxogramas, gráficos genéricos de consumo de potência e indicadores de eficiência. (TRIEBE, et al., 2018; DA COSTA, et al., 2017; HEGAB, et al., 2017; LI, et al., 2017)

Ainda assim, cresceu o número de publicações sobre a gestão de energia dentro de fábrica. Alguns autores discutem os principais pontos pesquisados dentro desse campo: impulsionadores e barreiras da gestão de energia, o papel e uso da tecnologia da informação, inovação e mudanças nos processos de manufatura e uso de novas tecnologias, diferentes ferramentas e métodos para aumentar eficiência de usinagem, minimização de custos e monitoramento e controle de performance. (MAY, et al, 2017; OWADUNNI, 2017)

Diversos trabalhos tratam de novas metodologias utilizadas para a medição e gestão de energia em fábrica como a metodologia “Design for X” e indicadores de eficiência com base em gastos elétricos, sendo a maioria focados em minimização de energia despendida em processos de corte, otimização de parâmetros de usinagem e monitoramento online de gastos energéticos e parâmetros de corte. (MOHAMMADI, et al., 2017; CATALDO, et al., 2015; LI, et al., 2017; VELCHEV, et al., 2014; ALBERTELLI, et al., 2016; ELMARAGHY, et al., 2016; DENG, et al., 2017)

Diante disso, o objetivo desse trabalho é levantar as curvas características para tornos convencionais, a partir da análise de perdas e levantamento de consumo de potência via wattímetro e via dinamômetro. As perdas envolvidas nas máquinas-ferramentas consistem em uma ferramenta de preparação de máquina e estimativa da eficiência energética. Já as curvas características são curvas que caracterizam a máquina em um gráfico do tipo eficiência versus uma grandeza medida. Esta última pode ser uma potência elétrica ou uma profundidade de corte.

Este trabalho segue com uma revisão bibliográfica acerca das perdas nos elementos construtivos da máquina e do processo de torneamento, além da gestão de energia na indústria. Em seguida, são analisados os resultados obtidos em laboratório para um torno convencional e realizada uma discussão sobre as perdas e curva característica. Por fim são expostas as considerações finais e as referências utilizadas no decorrer deste trabalho.

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Os processos de usinagem consistem em transformar um material bruto em um produto

acabado, culminando em um alto valor agregado. Essa conversão consiste, na análise feita nesse trabalho, em transformar a energia elétrica em energia mecânica. O interesse da análise de perdas na transmissão, mecânica ou eletrônica, está justamente nessa conversão.

Há uma gama enorme de operações de manufatura. Tem-se procedimentos de retirada de material em forma de cavaco como o torneamento e o fresamento, por exemplo.

A usinagem realizada nas máquinas convencionais consiste em 3 etapas: preparação, corte e troca de ferramentas. Durante a preparação são montados os sistemas de fixação e asferramentas. Para máquinas convencionais, nesta etapa, os motores da máquina estão desligados, portanto não consomem energia. O estágio de corte ocorre durante o contato da ferramenta com a peça bruta resultando na formação de cavaco. A energia gasta nessa parcela varia em função do material da peça, dos consumíveis e das condições pré-determinadas de corte. Finalmente, a troca de ferramenta compreende na manutenção do processo em si. Osmotores também estão desligados durante essa etapa para máquinas convencionais. (FERRARESI, 1977)



1º semestre/2018


Devido aos inúmeros modelos de máquinas-ferramentas com diferentes projetos, os mais variados periféricos, diferentes condições de corte e consumíveis em processos de fabricação, ainda não há uma metodologia padrão para a aferição da energia utilizada nos processos de usinagem. A norma ISO 14955-1 – Máquinas-ferramentas: Avaliação ecológica de máquinas ferramentas (Machine tools: Environmental evaluation of machine tools) – em fase de desenvolvimento - compõe um guia para a quantificação de recursos usados durante a usinagem, i.e., a energia fornecida e a energia final usada.

As máquinas-ferramentas convencionais utilizam motores elétricos de indução em sua força motriz. Em relação à caracterização desses motores tem-se a norma ABNT 5383-1 2002, cujo objetivo é prescrever ensaios para a determinação de características de desempenho em motores de indução trifásicos. Ela contempla seções que se aplicam às perdas. Estas perdas podem ser no estator, no núcleo, perda por atrito e ventilação. As últimas três dizem respeito aos ensaios em vazio.

Ainda sobre a parte construtiva das máquinas-ferramentas, há autores que propõem que os principais gastos de energia se devem aos aspectos construtivos da máquina. (ZEIN, 2012; MECROW; JACK, 2008)

A transmissão por engrenagens é complexa e dependente de vários outros elementos como mancais, rolamentos, eixos, entre outros. A eficiência desse sistema dependerá em quão grande é a perda em cada um dos elementos de máquinas. (ANDERSSON, 2014)

Da mesma maneira, a alteração de rotação da máquina por inversores de frequência também acarreta em perdas por atrito, pelo núcleo magnético e por ventilação. (LI, et al., 2015)

Perdas nas engrenagens podem ser divididas em dois grupos: perdas com carregamento e perdas sem carregamento (em vazio). O primeiro grupo tem suas perdas de energia nas engrenagens e rolamentos; há dependência da carga transferida, do coeficiente de atrito e da velocidade de escorregamento na área de contato dos componentes. Já no segundo, ocorrem dispêndios de energia sem carga sendo transferida; há dependência no ar que envolve o trem de engrenagens, na viscosidade, na densidade do óleo e da profundidade de imersão dos componentes nesse óleo. (HÖHN, MICHAELIS e HINTERSTOIßER, 2009)

As perdas em vazio de engrenagens se dão principalmente por causa do óleo lubrificante e suas propriedades, nível de imersão, geometria e tamanho da caixa de engrenagens. (ANDERSSON, 2014)

Quanto às correias, a transmissão de potência é resultado do atrito gerado entre a polia e a correia acoplada. As perdas podem ocorrer por deslizamento, escorregamento e enrugamento interno das correias. Outros fatores podem afetar a capacidade de transmissão por correias como o ângulo de abraçamento, distância entre centros dos eixos, tipos das correias, materiais das correias e polias e quantidade de correias. As perdas de todos os parâmetros somados podem chegar de 3% a 5% da potência total transmitida. (SANTOS, 2012)

Já para análise de processo de usinagem, o cenário da avaliação da eficiência muda. Em relação às condições de usinagem, estas referem-se aos parâmetros usados no corte. São eles: a velocidade de corte, velocidade de avanço, profundidade do corte, entre outras variáveis. Tais variáveis influenciam diretamente na potência de corte. Esta potência é um indicativo forte de consumo elétrico em máquinas-ferramentas. (DA COSTA, et al, 2008; MAGALHÃES, et al., 2009)

Nesta mesma linha de raciocínio, há uma proposta de avaliação baseada na energia específica elétrica usada no corte, que utiliza um wattímetro e um dinamômetro. Apesar de não contemplar modificações no projeto da máquina, é uma alternativa de estimativa de energia utilizada no movimento de corte. Neste estudo, confronta-se o método direto e indireto de avaliação de eficiência. No método direto, a eficiência é calculada pela razão entre a potência mecânica (Pm) e potência elétrica (Pe) medida na entrada da máquina. Já o método indireto utiliza-se a correção da



1º semestre/2018


potência de saída pela inclusão dos efeitos das perdas da máquina (Dz). Desta maneira, utiliza-se neste trabalho um método de avaliação que permita a comparação entre tornos convencionais com potências nominais diferentes, além de trazer informações sobre o processo de usinagem em si. O cálculo da eficiência é dado, portanto, pela equação abaixo (MARQUES, et al., 2015):

Pe

Pc=h (1)

h: Eficiência [%]

Pc: potência de corte [W]

Pe: potência elétrica na entrada da máquina [W]

Visto que a velocidade de avanço é baixa, a sua potência de avanço torna-se desprezível. Desta maneira, é possível estimar a eficiência da máquina por meio da equação acima sem perda de informação.

Em se tratando de perdas em cada etapa em um processo de usinagem e sobre eficiência energética, há discussões sobre o padrão de níveis de energia consumida em um processo de usinagem e a energia consumida em cada uma dessas etapas. (MATUMOTO, 2016)

Sobre a etapa de corte, em uma máquina convencional, tem-se o seguinte padrão, discutido em um trabalho anterior no Congresso Brasileiro de Fabricação 2017 (figura 1). O trecho R1 caracteriza o andamento da torre do torno até o momento em que se toca a ferramenta na peça. No trecho R2 acontece o corte propriamente dito e tem-se a potência para efetuar todo processo (Pe) medido na entrada do motor elétrico e a potência de corte, calculada pela medição de força de corte por um dinamômetro piezelétrico. No trecho R3 não há corte e há somente o giro das partes mecânicas do torno com a torre parada (DA COSTA, et al., 2017).

Figura 1 - Comparação de potência medida via wattímetro (Pe) e via dinamômetro (Pc) (DA COSTA, et al.,

2017)

Ainda sobre as perdas nos processos de usinagem, caracterizam-se as perdas de energia em um processo convencional ao realizar a análise do fluxo de energia em um torno convencional, como mostrado na equação 2 e na figura 2 (DA COSTA, et al., 2017):

Dz = DM + DPC + DR + DA + DB (2)

DZ: perda total [W]

DM: perdas no motor elétrico [W]



1º semestre/2018


DPC: perdas no conjunto de polias e correias [W]

DA: perdas na caixa de avanço [W]

DB: perdas nas guias da máquina [W]

A perda total de energia (DZ) consiste no somatório de cada parcela que compõe o torno convencional. São elas: perdas no motor elétrico (DM), no conjunto polia-correia (DPC), no redutor (DR), na caixa de avanço (DA) e nas guias (DB). Visto que a medição dos parâmetros individuais é complexa, costuma-se agrupar as perdas.

Figura 2 - Fluxo de energia em um torno convencional (adaptado DA COSTA, 2017)

3. MATERIAIS E MÉTODOS

Uma metodologia eficiente de avaliação de perdas deve contemplar uma ampla gama de

máquinas disponíveis no mercado. Dada que a eficiência energética depende tanto dos aspectos construtivos das máquinas como das condições de corte.

O escopo deste trabalho se restringe às máquinas convencionais para o processo de torneamento na aferição e análise de potências, sendo estas elétricas e mecânicas.

A máquina utilizada nesse trabalho foi um torno mecânico convencional de barramento paralelo (modelo LG1760, CHMTI - Chongqing Machine Tool Group, China), fabricado em 1995. Um desenho esquemático é mostrado abaixo (figura 3). Há dois motores elétricos: o motor principal e uma bomba de fluido de corte. Tal bomba foi mantida desligada durante os experimentos. A caixa de redução possui 27 engrenagens, 8 eixos, 18 rolamentos, 10 retentores e o óleo lubrificante. A conexão do cabeçote fixo ao motor principal é feita por 3 correias trapezoidais lisas. A caixa de engrenagens da máquina conta com 3 trens de engrenagens de dentes retos (R1, R2, R3). A combinação entre R1 e R2 possibilita 12 rotações diferentes entre faixas baixa, média e alta. O trem de engrenagens R3 configura faixas de velocidade de avanço, contando com 2 faixas de avanço: alta e baixa.

A caixa de avanços é composta por três engrenagens de dentes retos (grade) e uma caixa composta de um sistema deslizante (duas posições) e um sistema Norton.

A tabela 1 lista os itens que compõe o sistema de medição.

Tabela 1 – Componentes dos sistemas de medição Computador 1 Computador 2



1º semestre/2018


Conversor RS485 em conformidade com protocolo ModBus

Wattímetro Multi K-120

Foto-tacômetro MDT-2238 Termômetro RayngerST (Raytek) Dinamômetro Kistler 9129A Amplificador-conversor do dinamômetro

As medições dos parâmetros elétricos foram adquiridas por um wattímetro digital Mult K-120 –

Marca Kron – que possui uma interface em Visual Basic, cuja função é armazenar os parâmetros elétricos medidos. No wattímetro é possível monitorar diversos parâmetros elétricos de cada uma das fases, como corrente elétrica, voltagem, fator de potência, entre outros. (DA COSTA, et al., 2010)

Visto que é difícil medir as perdas individualmente, as medições foram feitas de maneira simplificada. As perdas envolvidas em cada parte do sistema que compõem o torno foram acopladas em uma soma mais simples, como mostrado na equação (2).

Quanto às temperaturas do óleo e rotação, houve 2 etapas estudadas nesse trabalho. A primeira foi a aferição das rotações em cada engrenamento sem transmissão, ou seja, em vazio para o levantamento da correlação entre potência e rotação. Com o sistema previamente aquecido, foram realizadas 12 medições dos 12 acoplamentos possíveis dos trens de engrenagens de forma sequencial, isto é, após a aquisição das potências ativas, troca-se o engrenamento imediatamente. A segunda etapa consistiu na cronometragem do tempo de estabilização da temperatura do óleo para as rotações de 147, 515 e 900 RPM, assumindo uma tensão constante e igual a 220V. Tal tempo é fator determinante para a realização dos ensaios, já que influencia na demanda de energia.

Figura 3 - Imagem esquemática da disposição do cabeçote superior do torno convencional e dos sistemas de

medição



1º semestre/2018


Uma vez realizado o levantamento de potências elétricas na entrada do motor, realizou-se a medição da potência mecânica efetivamente utilizada para o corte. Para isso, será utilizado um dinamômetro modelo KISTLER 9129A acoplado a um computador com softwares de aquisição dos dados de força.

Com a realização da usinagem, as aferições de força e potência elétrica foram realizadas com o torno convencional devidamente pré-aquecido. Serão monitorados os parâmetros do torno em cinco rotações nominais (355, 515, 612, 900 e 1239), a fim de levantar a curva característica desta máquina para essas 5 rotações escolhidas. O fluxograma do método utilizado para levantamento das curvas características é dado pela figura 4.

Figura 4 – Método para levantamento de curvas características. Fonte: O autor (2018).

As justificativas para a escolha dessas 5 rotações são que não há como atingir altos

carregamentos (acima de 50%) propostos pela norma ABNT NBR 5383-1 em baixas rotações e baixos carregamentos (abaixo de 50%) para altas rotações; também, por questões de segurança, para peças muito grandes e rotações muito altas, a fixação e rigidez estática e dinâmica da máquina podem não ser suficientes para realizar o teste com segurança.

Utilizou-se a norma ABNT NBR 5383-1 como um método análogo para estimar a eficiência de máquinas-ferramentas, uma vez que não há um método normatizado para a realização desse ensaio. Diferente das máquinas-ferramentas, os motores elétricos possuem informações em sua plaqueta, como a potência, rotação nominal, tensões, entre outros.

Assim, para a construção da curva característica de uma máquina-ferramenta, determinou-se um gráfico do tipo eficiência versus potência elétrica (h x Pe). Optou-se por utilizar a potência elétrica por ser uma medida prática, ao invés do carregamento da máquina. Este carregamento é de difícil definição e também variável, dado que uma máquina de usinagem varia seu carregamento em função de diversos parâmetros construtivos e de processo.

Deste modo, a medição da potência elétrica de entrada é dada por meio de um wattímetro, enquanto a eficiência é calculada pela equação 3, dada por Marques, et al. (2015). Esta é calculada pela equação 1.

Tais curvas podem retornar de maneira direta a eficiência da máquina para uma rotação pré-determinada. Ainda que se possua um valor de eficiência pelas curvas características (h x Pe), estas somente indicam se o processo está ou não eficiente. Entretanto, não indicam como corrigir a eficiência por parâmetros de processo ou qualquer outra adequação.



1º semestre/2018


Ainda no tocante às curvas características, a fim de tentar verificar se é possível aumentar a eficiência da máquina-ferramenta ao possuir as curvas características, levantou-se os gráficos do tipo eficiência versus profundidade de corte (h x ap) para um avanço constante. Estas curvas tentam responder a seguinte pergunta de ordem prática: dado um diâmetro “D” de peça, verificar se, para uma dada profundidade de corte “ap”, qual é a maior eficiência “h”, dado um avanço constante.

O método utilizado para se levantar tais curvas foi a medição das forças e potências elétricas dos ensaios para diferentes peças com diâmetros variados. Para diferentes profundidades de corte, aferiu-se as forças e potências. Posteriormente, realizou o levantamento de profundidades de corte de 0 até 1 mm por meio de splines cúbicas.

Assim, para o cálculo da eficiência após a interpolação, utiliza-se o método da equação 1 modificada para se utilizar os valores de energia propriamente ditos, isto é, a eficiência é calculada pela energia de corte (Ec) pela energia elétrica (Ee), que dependem do tempo gasto na usinagem de uma dada peça – equação 3.

Ee

Ec=h (3)

h: eficiência [%]

Ec: energia de corte [J]

Ee: energia elétrica [J]

Para o levantamento do gráfico (h x ap), força-se a condição do ponto (0,0), ainda que seja

impossível possuir uma profundidade de corte zero. Para isso, a equação 4 mostra que para uma profundidade de corte tendendo a zero, isto é, sem potência de corte (Pc) visto a ausência de forças de corte (Fc), a potência elétrica total (Pe) na entrada da máquina tende à própria perda em vazio (Dz), como mostrado na equação 5.

DzPcPe += (4)


Pc: potência de corte [W]

Dz: perdas da máquina [W]

Pe

DzPe -=h (5)

h: eficiência da máquina [%]


Dz: perdas da máquina [W]

Desta maneira, tem-se que para a ausência de corte, isto é, profundidade de corte nula, a

eficiência calculada é zero. Assim, os dados de potência elétrica e potência mecânica calculada foram utilizados para o

cálculo de eficiências energéticas, carregamentos, entre outros. Com os resultados obtidos, espera-se levantar curvas características das máquinas-ferramentas.



1º semestre/2018


4. RESULTADOS E DISCUSSÕES

A curva de aquecimento (figura 5) mostra o comportamento na potência requerida pelo sistema desde o início do levantamento até a estabilização. Nota-se que no momento da partida, a potência é muito maior que os valores subsequentes. Isto é explicado pelo óleo da caixa redutora estar em equilíbrio térmico com o ambiente, necessitando uma energia inicial muito grande para ser agitado.

Durante as medições foi constatado que a potência diminuía rapidamente e então começava a oscilar em torno de um valor médio momentâneo até atingir o regime permanente. O tempo médio para o sistema aquecer foi de 80 minutos. A partir desse momento, caso o sistema continuasse ativo, só ocorreria maior aquecimento do óleo e diminuição da potência requerida, consequentemente.

Figura 5 - Curva de aquecimento. Fonte: O autor (2017).

É importante ressaltar que esta curva de aquecimento deve ser levada em conta antes de todo e

qualquer ensaio realizado, visto que, antes de atingir o regime permanente, qualquer medição pode ser alterada em função da instabilidade da temperatura e potências da máquina-ferramenta ainda fria.

A temperatura da caixa redutora, medida diretamente na tampa, é mostrada no gráfico (figura 6). Observa-se que a medida que o tempo passa, a temperatura do óleo tende a um valor assintótico, assim como as potências ativas tendem na curva de aquecimento.

Posteriormente, realizou-se os 12 engrenamentos possíveis e levantou-se a potência ativa e a rotação correspondente. Assumindo uma velocidade tangencial constante, mostra-se que a medida que a medida do torque cresce visto a mudança das engrenagens, a potência cresce proporcionalmente.



1º semestre/2018


Figura 6 - Temperatura do óleo. Fonte: O autor (2017).

Isto ocorre devido às inércias envolvidas e às diferentes relações de transmissão envolvidas na

máquina-ferramenta. Deste modo, para se manter uma maior velocidade, é necessária uma potência maior. O comportamento é mostrado no gráfico abaixo com um R2 de 0,9921, evidenciando a característica linear do aumento da potência em função da mudança de engrenamento (figura 7).

Figura 7 - Correlação entre Potência e Rotação. Fonte: O autor (2017).



1º semestre/2018


Posteriormente, foi obtida a potência elétrica requerida por todo o sistema com o wattímetro na entrada da máquina. Em vazio, é requerido em torno de 1570W. Ao tocar a peça, a ferramenta demanda mais energia do sistema para realizar o corte e o gráfico apresenta um degrau de aproximadamente 2511W (figura 8). Após o degrau, ao final do ensaio, o valor da potência tem um leve decréscimo, em relação ao primeiro patamar, devido a não ocorrer mais avanço como no início do ensaio, isto é, a velocidade de avanço tende a zero. Assim a potência de avanço tende também a zero e retorna um valor de 1519W, aproximadamente.

Já o dinamômetro mede as forças que atuam no sistema peça e ferramenta de corte. Visualmente pelo gráfico (figura 8) a força de corte possui um valor de 895N. Ao realizar as médias móveis dos dados brutos obtidos, a força de corte utilizada é 894,97N. Das condições de corte deste ensaio, a velocidade de corte é de 161,4 m/min. Da figura 8, obtém-se da diferença entre os patamares, 2407,47W da parcela utilizada somente no corte, o que é próximo do obtido pelo wattímetro.

Figura 8 - Perdas em 515 RPM com wattímetro para ap 1,5 mm e medição da força de corte (Fc) com

dinamômetro para ap 1,5 mm. Fonte: O autor (2018).

Em uma segunda etapa de ensaios, levantou-se as curvas características da máquina para 5 rotações distintas. Optou-se por dividir em 2 tipos de gráficos: eficiência versus potência elétrica e eficiência versus profundidade de corte.

O primeiro tipo de gráfico, representado na figura 9, tem a função de retornar a eficiência energética dado um único parâmetro de entrada, isto é, a potência elétrica medida na entrada da máquina-ferramenta pelo wattímetro.

Observa-se que as eficiências tendem a aumentar a medida que a potência elétrica aumenta. Isto é esperado, uma vez que o motor elétrico e o sistema como um todo estão sob um carregamento maior.

Como as potências de corte aumentam na mesma medida que o carregamento cresce, as eficiências tendem a aumentar.



1º semestre/2018


Figura 9 – Eficiências em função da potência elétrica para diferentes rotações. Fonte: O autor (2018).

É importante ressaltar que as 5 rotações escolhidas possuem perdas diferentes. Assim, os valores de eficiência dados acima pela figura 8 dependem dessas perdas. Da mesma maneira, o carregamento em vazio influencia fortemente o levantamento dessas curvas, uma vez que para baixas rotações não é possível atingir os carregamentos de, por exemplo, 100%; enquanto que para altas rotações, os carregamentos na ordem de 25% e 50% já são atingidos em vazio. O carregamento em vazio da máquina-ferramenta é dado pela figura 10.

As curvas de eficiência da figura 8 consistem em curvas características de medida prática, isto é, para uma medição de potência elétrica na entrada da máquina-ferramenta tem-se a estimativa da eficiência. É importante ressaltar que não há necessidade de agrupar as curvas da figura 9, pois poderia se ter um valor de eficiência errado neste agrupamento pela falta de dados, como condição de corte, limites da máquina, entre outros.



1º semestre/2018


Assim, as curvas da figura 8 são úteis em separado, visto que retornam a informação da eficiência da máquina para uma dada rotação escolhida. Desta maneira, serve de indicador para um processo que está ou não eficiente.

Figura 10 - Carregamento em vazio. Fonte: O autor (2018).

No segundo tipo de gráfico levantado, agrupou-se todas as rotações em um único gráfico. As

eficiências estão em função da profundidade de corte são mostradas na figura 11. Neste tipo de gráfico, normalizado para as profundidades de corte de 0 a 1 mm, observa-se que

para as maiores rotações, as eficiências tendem a crescer. Essa análise foi realizada para um mesmo diâmetro de peça, pois ainda que o diâmetro altere parâmetros como velocidade de corte, esforços de usinagem e outros, para uma peça de um dado diâmetro conhecido, é possível realizar uma análise prévia pelas curvas abaixo.

O efeito do avanço não foi estudado nestes ensaios, mas possui forte influência, uma vez que o avanço afeta o tempo de corte, para um dado comprimento torneado. A análise em questão possui um avanço constante e igual a 0,25 mm/volta em todos os ensaios e comprimento de torneamento de 50 mm.

Ainda sobre a avaliação da eficiência para diferentes rotações, todas as curvas partem no ponto (0,0). Ainda que não faça sentido físico uma profundidade de corte nula, sua justificativa de aparecer no gráfico se dá pela força de corte ser nula quando não há corte e explicada na seção anterior (equações 5 e 6).

Pela análise energética, levando em conta um avanço constante de 0,25 mm/volta, um comprimento de peça constante e igual a 50mm e um diâmetro médio comum de 85 mm, a eficiência (dada pela equação 3) retorna o gráfico dado pela figura 11.

A pergunta que este tipo de gráfico (figura 11) tenta responder é: para um dado diâmetro de peça, um avanço constante e uma profundidade de corte conhecida, qual rotação é a que retorna maior eficiência? Para uma simulação de diâmetro 85mm, a figura 11 mostra que a maior eficiência se encontra no engrenamento de 1239 RPM para qualquer profundidade de corte.

No entanto, ainda que a rotação de 1239 RPM possua a maior eficiência, nada pode-se afirmar sobre o limite de máquina. Caso a potência exceda a potência de plaqueta do motor elétrico somada às perdas do próprio motor elétrico, não será possível utilizar esta rotação.



1º semestre/2018


Ainda sobre as limitações da figura 11, apenas por esta curva característica não se pode afirmar se uma rotação é realmente mais eficiente que as outras, visto que se pode realizar diferentes números de passadas.

A título de simulação, caso se queira usinar 1 mm de material de uma dada peça, pode-se optar por 2 cenários: uma passada de 1 mm ou duas passadas de 0,5 mm. Para as duas situações, a rotação de 1239 RPM retorna a maior eficiência (~50% para o primeiro caso e ~40% para o segundo caso). No entanto, não há a informação de qual é o tempo de corte despendido, a potência requerida pela máquina, se o limite da máquina foi ultrapassado ou qual rotação pode ser mais adequada de fato.

Figura 11 - Gráfico da eficiência versus profundidade de corte para diferentes rotações com um diâmetro de

referência de 85 mm. Fonte: O autor (2018). É imprescindível atentar-se que é necessário estudar efeitos de outras variáveis de processo

como o avanço, visto que tal parâmetro altera tempos de corte, energias despendidas, entre outros. Ao incluir os efeitos de outras variáveis de processo, ter-se-á um método robusto para indicar ao operador se está em um regime eficiente de usinagem e, caso não esteja, qual é a possível mudança que se pode realizar para ter um processo eficiente.

5. CONSIDERAÇÕES FINAIS

O estudo do fluxo de energia em tornos convencionais foi realizado neste trabalho. Verificou-se a importância do pré-aquecimento da máquina antes de realizar qualquer medição com um tempo médio de 80 minutos, visto que nos minutos iniciais a potência elétrica requerida pelo sistema é muito maior que a necessária em regime permanente. Também se correlacionou a potência com cada uma das rotações do torno, possuindo valores característicos para cada rotação em vazio.

Previamente, foi analisada a curva de perdas para uma única rotação, isto é, 515 RPM. Verificou-se o patamar de perdas e energia devidamente usada em corte. Esta última foi comparada com a potência calculada, proveniente da força medida no dinamômetro, e foi observado que a medida do wattímetro é maior que do dinamômetro, uma vez que o wattímetro mede a entrada



1º semestre/2018


global de energia e o dinamômetro mede exclusivamente a potência mecânica de corte. Com este cenário da análise de perdas, verificou-se a importância do pré-aquecimento da máquina para não se realizar medidas erradas.

Após esta primeira etapa preparatória para análise de perdas de energia da máquina ferramenta, houve a tentativa de levantar a curva característica da máquina, segundo a norma ABNT NBR 5383-1 para motores elétricos, para 5 rotações distintas.

Verificou-se que, ainda que as menores rotações tenham menor perda em vazio, nem sempre sua utilização pode retornar uma eficiência de processo maior. Para um mesmo avanço, comprimento usinado e diâmetro de peça, visto que em rotações menores o tempo de corte é menor, pode ser mais interessante optar por maiores rotações, a fim de possuir maiores rendimentos. No entanto, ainda que maiores rotações aparentem melhores rendimentos, é necessário avaliar a potência disponível da máquina, condições de processo e número de passadas.

Dado o conhecimento das curvas características da máquina-ferramenta, ainda que não se possa ter soluções sobre modificações no processo para melhores eficiências, tem-se um bom indicador de eficiência.

6. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

A continuidade deste trabalho possui diversos caminhos e uma das possibilidades é uma maior

automatização na aquisição de dados de rotação, temperatura, potências e forças, com o auxílio de microcontroladores programáveis.

Para a execução desta automatização, como projeto inicial, é necessário a prototipação de um sistema de medição via sensor Hall, que capta a variação do campo magnético, na aferição da rotação. Assim, acopla-se um imã forte o suficiente no eixo da máquina e um sensor Hall ao microcontrolador. Além deste sensor, é necessária a instalação de sensores de corrente e voltagem na entrada da máquina para o cálculo da potência instantânea.

Com esse pequeno sistema e com a curva característica da máquina gravada internamente no microcontrolador, é possível mostrar ao operador da máquina ferramenta se o processo de corte está em um regime eficiente ou ineficiente, por meio de um mostrador no painel da máquina.

Observa-se que a análise de eficiência de uma máquina-ferramenta é muito complexa e dependente de diversos fatores, por este motivo indica-se o estudo das curvas características para diferentes avanços e para materiais variados, além da utilização de diferentes elementos de transmissão como inversores de frequência.

7. AGRADECIMENTOS

Agradeço ao Professor Dalberto Dias da Costa pela orientação em minha Iniciação Científica

desde o início da faculdade e na orientação para o desenvolvimento deste trabalho. Agradeço a toda minha família pelo apoio incondicional durante os longos anos da graduação,

em especial meu irmão Felipe Klein Gussoli, que me apoia em todos meus projetos e incentiva todas as minhas ideias.

Agradeço também a todos que participaram, direta ou indiretamente, em minha formação como futuro Engenheiro Mecânico e principalmente como pessoa, o meu muito obrigado.

8. REFERÊNCIAS

ALBERTELLI, P.; KESHARI, A.; MATTA, A. Eneergy oriented multi cutting parameter optimization in face milling. Journal of Cleaner Production, 13 Abril 2016.



1º semestre/2018


ANDERSSON, M. Churning losses and efficiency in gearboxes. Estocolmo, 2014. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5383-1: máquinas elétricas girantes parte 1: motores de indução trifásicos: ensaios. Rio de Janeiro, 2002.

CATALDO, A.; SCATTOLINI, R.; TOLIO, T. An energy consumption evaluation methodology for a manufacturing plant. CIRP Jounal of Manufacturing Science and Technology, 4 Setembro 2015. DA COSTA, D. D., et al. Monitoramento de Eficiência nos Processos de Usinagem, 2008. DA COSTA, D.D., et al., 2017, Análise das Perdas de Energia no Processo de Torneamento Convencional, Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação, Joinville, Brasil. 2017. DAMBHARE, S.; DESHMUKH, S.; BORADE, A.; DIGALWAR, A.; PHATE, M. Sustainability Issues in Turning Process: A Study in Indian Machining Industry. 12th Global Conference on Sutainable Manufacturing, CIRP. 2015. DENG, Z.; ZHANG, H.; FU, Y.; WAN, L.; LIU, W. Optimization of process parameters for minimum energy consumption based on cutting specific energy consumption. Journal of Cleaner Production, 9 Agosto 2017. ELMARAGHY, H. A.; YOUSSEF, A. M. A.; MARZOUK, A. M.; ELMARAGHY, W. H. Energy use analysis and local benchmarking of manufacturing lines. Journal of Cleaner Production, 13 Janeiro 2016. FERRARESI, D. Fundamentos da Usinagem. Edgard Blutcher LTDA, 1977. HEGAB, H. A.; DARRAS, B.; KISHAWY, H. A. Towards sustainability assessment of machining processes. Journal of Cleaner Production, 21 Setembro 2017. HÖHN, B.-R.; MICHAELIS, K.; HINTERSTOIßER, M. OPTIMIZATION OF GEARBOX EFFICIENCY. Goriva i Maziva, 2009.

LI, L.; LI, C. TANG, Y.; LI, L. An integrated approach of process planing and cutting parameter optimization for energy-aware CNC machining. Journal of Cleaner Production, 6 Junho 2017. LI, L.; LI, C.; TANG, Y.; YI, Q. Influence factors and operational strategies for energy efficiency improvement of CNC machining. Journal of Cleaner Production, 17 Maio 2017.

MAGALHÃES, L. et al. Influence of tooth profile and oil formulation on gear powerloss. Tribology Internacional, 2 Outubro 2009. MARQUES, A., et al., 2015, Avaliação da Eficiência Energética de Tornos Convencionais Baseada no Valor Médio da Energia Específica de Corte, Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação, Salvador, Brasil. 2015. MATUMOTO, B. H. Análise da Eficiência Energética em Processos de Usinagem – Comparação de Tempo e Potência entre Torno Convencional e CNC. 2016. Trabalho de Conclusão de Curso – Universidade Federal do Paraná. 2016. MAY, G.; STAHL, B.; TAISCH, M.; KIRITSIS, D. Energy management in manufacturing: From literature review to a conceptual framework. Journal of Cleaner Production. 31 Outubro 2015.

MECROW, B. C.; JACK, A. G. Efficiency trends in electric machines and drives. Energy Policy, 23 Outubro 2008. 6. MOHAMMADI, A.; ZÜST, S.; MAYR, J.; BLASER, P.; SONNE, M. R.; HATTEL, J. H.; WEGENER, K. A methodology for online visualization of the energy flow in a machine tool. CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology, 6 Setembro 2017.



1º semestre/2018


OWODUNNI, O. Awareness of energy consumption in manufacturing processes. 14th Global Conference on Sustainable Manufacturing, 3-5 Outubro 2016. SANTOS, R. T. D. Levantamentos das Curvas de Rendimento de um Sistema de Transmissão por Correia. Porto Alegre: UFRGS, 2012. TRIEBE, M. J.; MENDIS, G. P.; ZHAO, F.; SUTHERLAND, J. W. Understanding energy consumption in a mchine tool through energy mapping. 25th CIRP Life Cycle Engineering (LCE) Conference, 30 abril – 2 Maio, 2018. VELCHEV, S.; KOLEV, I.; IVANOV, K.; GECHEVSKI, S. Empirical models for specific energy consumption and optimization of cutting parameters for minimizing energy consumption during turning. Journal of Cleaner Production, 14 Junho 2014. ZEIN, A. Transition Towards Energy Efficient Machine Tools. Springer, 2012. cap. 2.

anÁlise das perdas energÉticas no processo de torneamento e levantamento de … · 2020. 3....

Documents