conversão de uma furadeira fresadora manual
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CONVERSÃO DE UMA FURADEIRA FRESADORA MANUAL EM UMA FRESADORA
CNC PARA VIABILIZAR FABRICAÇÃO EM SÉRIE DE MICROTROCADORES DE
CALOR
Mariana Couto da Silva
Projeto de Graduação apresentado ao Curso
de Engenharia Mecânica da Escola
Politécnica, Universidade Federal do Rio de
Janeiro, como parte dos requisitos necessários
à obtenção do título de Engenheiro.
Orientadores: Carolina Palma Naveira Cotta
Jeziel da Silva Nunes
Rio de Janeiro
Março de 2014
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica
DEM/POLI/UFRJ
CONVERSÃO DE UMA FURADEIRA FRESADORA MANUAL EM UMA
FRESADORA CNC PARA VIABILIZAR FABRICAÇÃO EM SÉRIE DE
MICROTROCADORES DE CALOR
Mariana Couto da Silva
PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO
DE ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS
REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE
ENGENHEIRO MECÂNICO.
Aprovado por:
________________________________________________
Profa. Carolina Palma Naveira Cotta, D.Sc.
________________________________________________
Prof. Jeziel da Silva Nunes, D.Sc.
________________________________________________
Prof. Renato Machado Cotta, Ph.D.
________________________________________________
Prof. Fernando Pereira Duda, D.Sc.
________________________________________________
Prof. Luiz Otávio Saraiva Ferreira, D.Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
MARÇO DE 2014
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Silva, Mariana Couto
Conversão de uma furadeira fresadora manual em uma fresadora
cnc para viabilizar fabricação em série de microtrocadores de calor/
Mariana Couto da Silva. – Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica,
2014.
viii, 49 p.: il.; 29,7 cm.
Orientador: Carolina Palma Naveira Cotta
Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Departamento
de Engenharia Mecânica, 2014.
Referências Bibliográficas: p. 48-49.
1. Adaptação de Máquina Ferramenta. 2. Microtrocadores de
Calor. I. Cotta, Carolina Palma Naveira. II. Universidade Federal do
Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Departamento de Engenharia
Mecânica. III. Título
iv
Agradecimentos
Agradeço primeiramente a Deus, pois é Ele o responsável por todas as conquistas em minha
vida. Sem Ele nada teria sido possível, obrigada Senhor!
Em seguida, agradeço aos meus pais, Célia Regina e Dillon, que me inspiraram na escolha
desta carreira, e sempre me incentivaram e ajudaram a não desistir. Ao que acima de tudo é meu
grande amigo, meu namorado Marcos Vinícius, nos momentos mais difíceis desta caminhada, o
seu apoio foi fundamental, me animando e mostrando que sempre havia uma solução, não
importando qual fosse o problema.
Agradeço ao professor Jeziel Nunes, e à professora Carolina Cotta, pela orientação e apoio
durante todos esses meses de trabalho. Aos amigos do Lab. MEMS, que tanto me ajudaram no
desenvolvimento deste projeto.
E finalmente, agradeço aos membros da minha banca avaliadora, os professores Renato
Cotta, Fernando Duda, e Luiz Otávio Ferreira, por estarem presentes neste momento e pelas
contribuições a este trabalho.
v
Resumo do projeto de graduação apresentado ao DEM/UFRJ como parte dos requisitos
necessários para obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.
CONVERSÃO DE UMA FURADEIRA FRESADORA MANUAL EM UMA FRESADORA
CNC PARA VIABILIZAR FABRICAÇÃO EM SÉRIE DE MICROTROCADORES DE
CALOR
Mariana Couto da Silva
Março/2014
Orientadores: Carolina Palma Naveira Cotta
Jeziel da Silva Nunes
Curso: Engenharia Mecânica
Este trabalho tem como objetivo converter uma furadeira fresadora manual em uma
fresadora de comando numérico, mais precisa que a máquina original. Uma das
motivações para este trabalho é a necessidade da utilização pelos alunos do Lab. MEMS
de uma micro fresadora para confecção de micro dispositivos de troca térmica. Por se
tratar de um equipamento delicado, cujas peças de reposição e ferramentas têm um
custo elevado, é desejável que os alunos sejam habilitados a utilizar as máquinas de
controle numérico, fundamentais à fabricação dos componentes para suas experiências
através de uma sequencia de operações de fabricação. Os alunos no desenvolvimento de
suas pesquisas tem necessidade de desenvolver e fabricar microcomponentes que
envolvem micro fresamento de precisão. Neste processo os alunos iniciam com a pré-
fabricação de peças na fresadora objeto deste trabalho, onde as operações de pré
fabricação e os desbastes de maior vulto são executadas preparando as peças para as
operações de micro fresamento. Em particular, esta fresadora será utilizada para fabricar
microtrocadores de calor para um sistema de arrefecimento de coletores fotovoltaicos.
vi
Abstract of Undergraduate Project presented to DEM/UFRJ as a part of fulfillment of the
requirements for the degree of Engineer.
CONVERSION OF A MANUAL DRILL MILLING MACHINE ON A CNC MILLING
MACHINE FOR MANUFACTURING IN SERIES MICRO-HEAT EXCHANGERS.
Mariana Couto da Silva
March/2014
Advisor: Carolina Palma Naveira Cotta
Jeziel da Silva Nunes
Course: Mechanical Engineering
This study aims to transform a manual drilling and milling machine on a
numerically controlled milling machine, more accurate than the original machine. One
of the motivations for this work is the need to train students in Lab MEMS for the use
of a micro milling machine, CNC high precision . Because it is an extremely delicate
equipment whose spare parts and tools have a high cost, it is desirable that students
acquire prior knowledge about milling and CNC machine in a more robust, with lower
costs of maintenance and operation. In addition, there is also this same lab a demand for
manufacturing parts in micro and mini scale for some research in development. With the
increase in accuracy and the implementation of numerical control system, milling macro
can be used to pre -fabrication of such parts . And it is this possibility of prefabrication
of parts, the main motivation for this work, as will enable the mass production of micro-
heat exchangers , which is used for cooling of photovoltaic cells with high concentration
of sunlight system.
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Sumário
1. INTRODUÇÃO................................................................................................................. 1
1.1. Motivação ------------------------------------------------------------------------------------------------ 1
1.2. Objetivo--------------------------------------------------------------------------------------------------- 3
1.3. Estrutura do Trabalho ---------------------------------------------------------------------------------- 4
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ...................................................................................... 6
2.1. Adaptações de Fresadoras Manuais em Sistemas CNC. ---------------------------------------- 6
2.2. Microtrocadores de Calor ---------------------------------------------------------------------------- 11
3. FURADEIRA FRESADORA MR-205 ..................................................................... 14
4. PROJETO DE CONVERSÃO ................................................................................... 18
4.1. Descrição Geral ---------------------------------------------------------------------------------------- 18
4.2. Especificações de Projeto ---------------------------------------------------------------------------- 19
4.3. Seleção dos Principais Componentes -------------------------------------------------------------- 25
4.3.1. Fusos de Esferas Recirculantes ........................................................................... 25
4.3.2. Motores de Passo ................................................................................................. 30
4.3.3. Sistema de Controle ............................................................................................ 32
5. EXECUÇÃO DAS ADAPTAÇÕES .......................................................................... 35
5.1. Adaptações na Direção X ---------------------------------------------------------------------------- 36
5.2. Adaptações na Direção Y ---------------------------------------------------------------------------- 39
5.3. Adaptações na Direção Z ----------------------------------------------------------------------------- 41
5.4. Adaptações Adicinais --------------------------------------------------------------------------------- 44
6. UTILIZAÇÃO DA MÁQUINA CONVERTIDA ................................................... 46
7. CONCLUSÃO ................................................................................................................ 51
8. BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................... 53
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APÊNDICE I – DESENHOS TÉCNICOS .......................................................................... I
Lista de desenhos: --------------------------------------------------------------------------------------- I
Desenho 01: Fuso X ------------------------------------------------------------------------------------ II
Desenho 02: Fuso Y ----------------------------------------------------------------------------------- III
Desenho 03: Fuso Z ----------------------------------------------------------------------------------- IV
Desenho 04: Suporte da Castanha X ---------------------------------------------------------------- V
Desenho 05: Suporte da Castanha Y --------------------------------------------------------------- VI
Desenho 06: Suporte da Castanha Z -------------------------------------------------------------- VII
Desenho 07: Suporte Posterior -------------------------------------------------------------------- VIII
Desenho 08: Mancal Direito ------------------------------------------------------------------------- IX
Desenho 09: Mancal Esquerdo ----------------------------------------------------------------------- X
Desenho 10: Suporte Superior ---------------------------------------------------------------------- XI
Desenho 11: Suporte do Olhal --------------------------------------------------------------------- XII
APÊNDICE II – CATÁLOGOS ...................................................................................... XIII
Catalogo da Furadeira Fresadora MR-205: ----------------------------------------------------- XIII
Catalogo dos Fusos: -------------------------------------------------------------------------------- XIV
Catalogo dos Motores de Passo: ----------------------------------------------------------------- XVI
Catalogo dos Drivers dos motores: ------------------------------------------------------------- XVII
Catalogo dos Amortecedores: ------------------------------------------------------------------ XVIII
Catalogo dos Cabos de Aço e Acessórios: ----------------------------------------------------- XIX
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1. Introdução
1.1. Motivação
O fresamento é uma operação de usinagem que consiste na remoção de cavaco,
através da rotação e do avanço de uma ferramenta multicortante. Este é um dos mais
importantes processos de fabricação mecânicos principalmente por ser bastante versátil.
À partir da década de cinquenta, com o desenvolvimento cada vez maior da
indústria aeronáutica americana, havia uma demanda por alta produtividade de peças
complexas e precisas, neste contexto surgiram as primeiras máquinas ferramentas com
controle numérico, que revolucionaram a fabricação de peças.
Nos anos que se seguiram, esta tecnologia foi sendo aprimorada, mas somente na
década de setenta, foram incorporados à estes equipamentos computadores dedicados ao
controlador numérico. Foi quando surgiu de fato a primeira máquina com controle
numérico computadorizado, isto é, uma CNC, do inglês “Computer Numeric Control”.
Estas maquinas continuaram sendo aprimoradas, e atualmente há uma vasta gama de
equipamentos CNC. As fresadoras de comando numérico possuem altíssima precisão e
versatilidade, existem inúmeros tipos e tamanhos deste equipamento disponíveis no
mercado, podendo ir dos grandes centros de usinagem até as micro fresadoras.
No Lab. MEMS (Laboratório de Nano e Micro Fluídica e Microssistemas) há a
necessidade de desenvolvimento e fabricação de microcomponentes para diversas
pesquisas realizadas. Dentre os vários processos utilizados para fabricação de
microdispositivos a micro usinagem é um deles. Para realizar este tipo de trabalho, o
laboratório conta com uma micro fresadora de comando numérico, equipamento
bastante preciso, porém delicado, cujos insumos são muito caros.
Uma das pesquisas em desenvolvimento, inserida num contexto de cooperação
internacional entre o Lab. MEMS e o LTNT (Laboratório de Termodinâmica em
Tecnologias Emergentes) do ETH Zurich, Suiça. É a proposta de utilização de
microtrocadores de calor para a refrigeração de células fotovoltaicas com alta
concentração (HCPV) e o aproveitamento do calor rejeitado para dessalinização de
água, através de um dessalinizador de membrana.
Células fotovoltaicas são dispositivos que convertem a energia solar diretamente
em eletricidade por meio de efeito fotovoltaico. Em painéis fotovoltaicos tradicionais,
2
toda a superfície do painel é coberta com material semicondutor, material este que
possui custo elevado. O sistema fotovoltaico de alta contração se baseia na focalização e
concentração da luz solar, através da utilização de lentes especiais sobre pequenas
células fotovoltaicas. Com a utilização deste sistema a área do painel coberta com
material semicondutor é mínima, o que propicia uma considerável diminuição dos
custos de tal sistema se comparado ao sistema tradicional.
Porém, com a utilização de sistemas de alta concentração há uma grande
quantidade de energia que é perdida na forma de calor. Este calor causa o aumento da
temperatura da célula fotovoltaica, diminuindo assim sua eficiência, como é possível
constatar observando a figura 01.
Figura 01 – Variação da eficiência em função temperatura em uma célula fotovoltaica.
Fonte: GUERRIERI [6].
Visando aumentar a eficiência da célula fotovoltaica e evitar sua degradação
pela temperatura excessiva, desenvolveu-se um sistema de refrigeração baseado no
conceito de microtrocadores de calor com refrigerante liquido. Além disso, a utilização
deste sistema de arrefecimento possibilitará também que o calor dissipado pela célula
fotovoltaica seja aproveitado em outros processos. No caso específico da pesquisa
desenvolvida, o calor será utilizado no processo de dessalinização da água.
Microtrocadores de calor têm a mesma função de trocadores de calor
convencionais de macro escala, ou seja, são dispositivos que visam a transferência de
energia térmica de um meio para outro de maneira eficiente. São geralmente utilizados
3
em processos onde há a necessidade de aquecimento ou de arrefecimento. São
geralmente fabricados de materiais que possuem altos coeficientes de condutividade
térmica.
Trocadores de calor são amplamente utilizados industrialmente, como por
exemplo em aquecedores, sistemas de ar condicionado, plantas químicas e
petroquímicas, usinas termoelétricas. Já os microtrocadores de calor são mais
comumente utilizados para o arrefecimento de circuitos eletrônicos, porém há também
uma vasta gama de aplicações deste dispositivo.
No caso específico da pesquisa na qual este trabalho está inserido, um
microtrocador de calor deverá ser instalado sob cada célula fotovoltaica dos painéis de
geração de energia. Tendo em vista que foram adquiridos para tal pesquisa dez painéis,
sendo cada um deles composto por trinta células fotovoltaicas, será necessário viabilizar
a fabricação em série desses microtrocadores.
Atualmente, os protótipos destes micro trocadores de calor têm sido fabricados em
cobre, inteiramente através de micro usinagem, porém desta forma, o tempo gasto para a
fabricação de cada peça e o custo de reposição das ferramentas gastas, é bastante alto. O
que inviabiliza a produção de todas as peças por este método.
Então, a principal motivação para este trabalho é viabilizar a fabricação em série
destes microtrocadores de calor. E para isso, uma furadeira fresadora manual foi
convertida em uma fresadora de comando numérico, que será empregada na pré-
fabricação destas peças. Após a conversão ser realizada, este equipamento poderá
também ser utilizado para a fabricação de diversos componentes, para outros projetos
em desenvolvimento.
1.2. Objetivo
O principal objetivo deste trabalho foi converter uma furadeira fresadora manual,
comercializada no Brasil pela Manrod, modelo MR-205, em uma fresadora de comando
numérico, de forma que seja possível emprega-la na pré-fabricação de peças, cuja
usinagem será finalizada na micro fresadora CNC, já utilizada no laboratório.
Originalmente, a MR-205 não é um equipamento de muita precisão, e possui
bastante folga em diversos componentes. Um dos objetivos da conversão é eliminar
estas folgas, permitido assim que as peças fabricadas na máquina convertida sejam
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compatíveis com a micro fresadora, e também, reduzir o tempo total gasto para
fabricação de cada um destes componentes, já que as usinagens de mais pesadas serão
realizadas na fresadora maior diminuindo assim as operações na micro fresadora.
Ou seja, a micro fresadora deverá ser utilizada apenas para execução de micro
fabricação, e a macro fresadora deverá ser capaz de fabricar com a devida precisão as
pré-formas de macro escala.
Além disso, o funcionamento da macro fresadora após ser convertida em CNC, será
muito próximo do funcionamento da micro fresadora já que utilizará o mesmo processo
de controle. Desta forma os alunos poderão adquirir experiência na operação de uma
CNC, em um equipamento mais robusto, cujo custo de manutenção, de peças de
reposição, e das próprias ferramentas é baixo, se comparado aos da micro fresadora.
Podendo posteriormente operar com maior destreza o equipamento mais delicado e mais
caro.
1.3. Estrutura do Trabalho
No segundo capítulo deste trabalho, é feita uma breve revisão bibliográfica,
abordado os principais assuntos que serão discutidos nos capítulos seguintes.
Primeiramente, será feita uma apresentação de projetos de conversão de máquinas
manuais em máquinas CNCs. Em seguida, são mostradas geometrias de
microtrocadores de calor, que utilizam refrigerante líquido para o arrefecimento de
células fotovoltaicas. É descrito também o métodos de fabricação de um destes
trocadores.
O terceiro capítulo apresenta em detalhes o funcionamento da furadeira fresadora
manual MR-205, foco deste estudo.
No quarto capítulo é desenvolvido o projeto para conversão da furadeira fresadora
manual MR-205 em uma fresadora de comando numérico computadorizado, neste
capítulo são feitas todas as definições e especificações do projeto, e são selecionados
novos fusos para substituir os originais, além disso, são selecionados também os
motores de passo e o sistema de controle computadorizado.
O quinto capítulo explica cada uma das modificações feitas na máquina original, e
mostra todas as peças que precisaram ser fabricadas para tornar possível sua conversão
em CNC.
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No penúltimo capítulo é abordada a demanda do Lab. MEMS de fabricação de uma
grande quantidade de microtrocadores de calor. É desenvolvido um plano de utilização
da máquina após sua conversão, para que possibilite a fabricação em série de tais peças.
Para concluir o trabalho, o sétimo capítulo descreve brevemente as características da
MR-205 após ter sido feita sua conversão em uma fresadora de controle numérico. E
mostra que os objetivos iniciais de melhorar a precisão e implementar um sistema de
controle computacional com interface equivalente ao da micro fresadora, foram
alcançados.
6
2. Revisão Bibliográfica
2.1. Adaptações de Fresadoras Manuais em Sistemas CNC.
O grande sucesso das máquinas ferramentas controladas numericamente se deve
principalmente ao fato de que as principais características desejáveis em uma máquina
ferramenta são: alta produtividade, flexibilidade para fabricação de vários tipos de peça,
capacidade de execução de peças altamente complexas, e grande capacidade de
repetitividade e precisão.
Máquinas ferramentas convencionais possuem grande flexibilidade, porém têm a
capacidade de fabricar peças com alto grau de complexidade, e as características de
repetitividade, precisão e produtividade, dependem da habilidade do operador.
Já as máquinas ferramentas automáticas ou copiadoras, podem produzir peças
bastante complexas, com uma boa repetitividade e precisão, além de terem alta
produtividade. Porém, neste tipo de máquina há pouca flexibilidade, devido não só aos
altos custos dos acessórios, como também ao tempo elevado para preparação da
máquina.
Entretanto, as máquinas ferramentas com controle numérico computacional
possuem todas as características citadas anteriormente, como desejáveis em uma
máquina ferramenta, e é por aliar todas essas características que as CNCs
revolucionaram a usinagem de peças, e atualmente são extremamente úteis nos setores
de fabricação mecânica dos mais diversos tipos de indústria. Porém, o custo do
investimento inicial para adquirir este tipo de equipamento é bastante elevado, de forma
que indústrias de pequeno porte e até mesmo trabalhadores autônomos da área de
fabricação, que possuem pequenas oficinas mecânicas, não têm como adquirir estes
equipamentos. Por esta razão, existem empresas especializadas em adaptar máquinas
manuais em máquinas com comando numérico computadorizado.
A empresa CENTROID [19] diz em seu site na internet, que comercializa kits
para adaptação de praticamente todos os tipos de fresadoras manuais em fresadoras
CNC. São apresentados como exemplo, vários projetos de conversão, por eles
realizados, um deles é de uma fresadora Bridgeport, cujas características gerais são
semelhantes às da máquina que iremos estudar neste trabalho.
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As principais características deste projeto são descritas à seguir. Os fusos
originais foram substituídos por fusos de esferas recirculantes para aumentar a precisão
do equipamento. Utilizou-se motores para automação dos três eixos, porém foi mantida
a opção do acionamento manual, de forma que a máquina pode ser utilizada totalmente
manual, ou com os eixos horizontais controlados numericamente pelo computador
enquanto o eixo vertical é controlado manualmente, ou ainda, com os três eixos
controlados computacionalmente. O tipo de motor empregado foi o servo motor, cada
um dos motores foi acoplado aos respectivos fusos através de correias dentadas com
uma determinada relação de redução. A interface entre o operador e a fresadora é feita
utilizando-se um tela, um teclado e painel de controle com botão de soco para
emergências, específico para máquinas CNCs.
A CENTROID [19] é uma empresa que comercializa os projetos e kits de
conversão, por esta razão os detalhes de dimensionamento e seleção de componentes
utilizados, não são disponibilizados em seu site. A figura 02 mostra a fresadora
Bridgeport convertida em CNC pela empresa.
Figura 02 – Fresadora Bridgeport convertida em CNC.
Fonte: CENTROID [19].
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Há também uma série de sites, blogs e fóruns de discussão sobre este assunto,
disponíveis na internet. O cientista da computação WARFIELD [18], diretor executivo
e presidente da empresa CNC Cookbook, converteu sua própria furadeira fresadora
manual da Rong Fu, modelo RF-45, em uma máquina CNC, registrou em detalhes todas
as etapas deste processo e publicou-as no site de sua empresa. A máquina que foi
adaptada é extremamente parecida com a MR-205, e esta é um das razões para o projeto
executado por WARFIELD [18] ser bastante relevante para este trabalho, outra razão
para tal relevância é a qualidade técnica de seu projeto e a riqueza de detalhes por ele
apresentados. A figura 03 ilustra a RF-45 após ter sido convertida em uma fresadora
CNC.
Figura 03 – Fresadora RF-45 convertida em CNC.
Fonte: WARFIELD [18].
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WARFIELD [18] realizou a conversão da seguinte forma, primeiramente poliu
as superfícies de contato das guias rabo de andorinha dos três eixos, em seguida, criou
um sistema de lubrificação usinando ranhuras nas superfícies de contato das guias e
furos nas superfícies laterais das guias, por onde o óleo era injetado utilizando-se uma
bomba de óleo.
Para aumentar a rigidez da máquina, WARFIELD [18] preencheu a parte
inferior de sua base com um compósito chamado granito Epóxi, composto por 62%
(sessenta e dois por cento) de brita, 23% (vinte e três por cento) de areia, e 15% (quinze
por cento) de resina Epóxi, estas são proporções mássicas. A parte inferior da coluna
também foi preenchida com este material. WARFIELD [18] fabricou pés para
nivelamento utilizando discos de hóquei.
Visando melhorar a precisão dos deslocamentos, utilizou fusos com diâmetro
primitivo de 0,75”, e passo de 0,2”, com castanhas de esferas recirculantes. O sistema
de acionamento manual dos fusos foi suprimido, e foi utilizado um servo motor para o
acionamento computacional de cada um dos três eixos. Devido à escolha deste tipo de
motor, foi necessário a utilização de um sistema de controle bastante complexo, e a
interface entre o operador e o sistema de controle, foi feito através do programa Mach3.
O acoplamento dos motores às extremidades dos fusos, foram feitos através de sistemas
redução com correias dentadas.
A EAS [20], uma pequena empresa americana da área de eletrônica e robótica,
trabalha principalmente com projeto, fabricação e venda de circuitos eletrônicos
impressos. Em seu site da internet, mostram como converteram uma pequena fresadora
manual em uma micro fresadora de controle numérico computadorizada.
Para esta conversão utilizaram três motores de passo modelo NEMA 23 com
torque de 2 N.m (dois Newton metro). O fuso vertical original foi substituído por um
fuso de esferas recirculantes, montado com pré carga, para minimizar as folgas. Para os
fusos horizontais foram fabricadas novas castanhas de um polímero chamado resina
poliacetal, com isso houve o aumento da área de contato entre os fusos e suas
respectivas castanhas, esta foi outra maneira encontrada para reduzir as folgas na
transmissão do movimento.
Outra alteração feita foi a substituição das placas para ajuste da mesa, os gibs,
que originalmente eram de aço, por placas de latão, pois o latão apesar de possuir um
desgaste superficial maior que o do aço, possui coeficiente de atrito menor, com isso o
torque necessário para o acionamento dos fusos foi reduzido.
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O fuso vertical movimenta todo o cabeçote da máquina, para minimizar o esforço
necessário para mover o cabeçote, foi utilizado neste projeto um sistema de contrapesos.
A figura 04 ilustra a montagem final da micro fresadora CNC adaptada pela EAS [20].
Figura 04 – Pequena fresadora manual convertida em micro fresadora CNC.
Fonte: EAS [20].
Os três projetos mostrados anteriormente possuem uma série de características
semelhantes às do projeto que será desenvolvido nos próximos capítulos. Porém
existem também consideráveis diferenças em cada um deles. Nos dois primeiros
projetos mostrados a principal diferença conceitual com relação a este projeto é a
escolha do tipo de motor, nos dois casos os motores escolhidos foram do tipo servo
motor, enquanto que neste trabalho, foi feita a opção de utilização de motores de passo,
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como será posteriormente justificado. Conceitualmente, o terceiro projeto é o que mais
se assemelha a este, porém em uma escala reduzida, tendo em vista que a MR-205 é
uma máquina bem maior que a fresadora convertida pela EAS [20].
2.2. Microtrocadores de Calor
Estudos anteriores foram feitos sobre a geometria e a operação de tais sistemas
para o arrefecimento das células fotovoltaicas. CORRÊA [7] propôs para tal, um
modelo otimizado através da plataforma computacional CFX da ANSYS.
As principais características do microtrocador de CORRÊA [7] são: trocador de
calor de cobre, composto por rebaixo para colocação de o’ring, poços de distribuição de
entrada e de saída de fluido refrigerante, e dezoito canais retangulares de 381 µm
(trezentos e oitenta e um micrometros) de largura por 945 µm (novecentos e quarenta e
cinco micrometros) de altura por 10 mm (dez milímetros) de comprimento. O fluido
utilizado é a água, e não deve haver mudança de fase da mesma no interior do
microtrocador, portanto, a máxima temperatura do fluido foi fixada em 95,15 ºC. O
modelo proposto por CORRÊA [7] é ilustrado pela figura 05.
Figura 05 – Vista do microtrocador de calor proposto por CORRÊA [7].
Fonte: GUERRIERI [6].
Para viabilizar a fabricação do microtrocador de calor proposto anteriormente,
GUERRIERI [6] propôs que fossem feitas algumas alterações de ordem operacional no
mesmo. No microtrocador proposto e fabricado por GUERRIERI [6] o rebaixo para a
colocação de o’ring foi suprimido, e a vedação deste novo modelo de trocador foi feita
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por pressão em superfícies de baixa rugosidade. Esta alteração possibilitou o aumento
do comprimento dos canais que passaram a ter doze milímetros ao invés dos dez
milímetros originais, aumentando assim a área de troca térmica.
Outra adaptação necessária, foi na largura dos canais do microtrocador de calor,
CORRÊA [7] havia proposto em seu modelo otimizado um canal com 381 µm
(trezentos e oitenta e um micrometros) de largura, porém não havia nenhuma ferramenta
com esta dimensão. Foi definido então que o canal passaria a ter 400 µm (quatrocentos
micrometros) de largura, pois esse era o diâmetro da ferramenta com dimensões mais
próximas às projetadas originalmente.
GUERRIERI [6] projetou e fabricou também uma tampa para o micro trocador,
o material utilizado foi também o cobre, e na superfície da tampa haviam dois pinos
proeminentes nos quais eram acoplados os tubos para entrada e saída de líquido.
Enfim, o microtrocador de calor fabricado por GUERRIERI [6] ficou com a
seguinte geometria ilustrada na figura 06.
Figura 06 – Vista do microtrocador de calor fabricado por GUERRIERI [6].
Fonte:GUERRIERI [6].
GUERRIERI [6] fabricou seu microtrocador de calor utilizando principalmente a
micro fresadora, da seguinte forma, primeiramente a partir de uma barra chata de cobre
eletrolítico com espessura de 1/8 in (um oitavo de polegada) foi cortada manualmente
utilizando-se um arco de serra, uma pastilha de 23 mm (vinte e três milímetros) por 27
mm (vinte e sete milímetros), esta partilha foi utilizada para fabricar a base do
microtrocador. De forma análoga, utilizando uma barra do mesmo material anterior,
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porém com espessura de 1/4 in (um quarto de polegada), foi cortada uma pastilha para
fabricação da tampa do microtrocador.
A primeira pastilha foi fixada à mesa da micro fresadora através de uma morsa e
utilizando uma fresa de topo com diâmetro de 2,032 mm, foi feito o faceamento dos seis
lados da pastilha, formando finalmente uma pastilha de 3 mm (três milímetros) de
espessura, por 21 (vinte e um milímetros) de largura, por 25,5 mm (vinte e cinco
milímetros e meio) de comprimento, com faces planas, garantindo devido paralelismo e
perpendicularidade entre cada uma delas.
Em seguida, a ferramenta foi substituída por outra fresa de topo, com diâmetro
de 1,016 mm com a qual foram usinados os dois poços de distribuição de fluido.
Substituindo novamente a ferramenta por outra fresa de topo de 400 µm (quatrocentos
micrometros) de diâmetro, foram usinados os dezoito canais.
Para finalizar a fabricação da base, foram feitos em uma furadeira de bancada,
montada com uma broca de 1,6 mm (um virgula seis milímetros) de diâmetro, quatro
furos passantes em cada uma das extremidades da peça. Em cada um desses furos foram
abertas roscas M 2 (rosca métrica de dois milímetros de diâmetro), utilizando-se um
macho. E por último a superfície da base do microtrocador, que ficará em contato com a
tampa, foi lixada com uma lixa d’água número 1500, reduzindo assim sua rugosidade
superficial.
Em seguida, a segunda pastilha foi fixada à mesa da micro fresadora, da mesma
forma que a anterior. Com uma fresa de topo de 2,032 mm, foi feito o faceamento das
quatro superfícies laterais da peça, e de sua superfície inferior Na sexta superfície foi
feito um fresamento de desbaste, de maneira a formar uma pastilha com 2 mm (dois
milímetros de espessura), com dois pinos proeminentes em sua superfície, para entrada
e saída de fluido.
Finalizando a fabricação da tampa, foram feitos em uma furadeira de bancada,
montada com uma broca de 2 mm (dois milímetros) de diâmetro, quatro furos passantes
em cada uma das extremidades da peça para fixação, e dois furos passantes um em cada
pino proeminente para entrada e saída de fluido. Por último a superfície inferior da
tampa do microtrocador, que ficará em contato com a base, foi lixada com uma lixa
d’água número 1500, de maneira análoga ao que foi feito na base.
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3. Furadeira Fresadora MR-205
A máquina estudada neste trabalho é a furadeira fresadora MR-205, que é uma
máquina manual de médio porte, fabricada na China e vendida no Brasil pela Manrod.
É uma máquina robusta que possui três graus de liberdade de translação ( X, Y e Z ),
e seu movimento em cada uma dessas direções é feito sobre guias rabo de andorinha e
através de fusos de perfil trapezoidal e passo de dois milímetros e meio. Os dois fusos
horizontais são acionados manualmente por volantes com manivelas, acoplados
diretamente nas extremidades dos fusos. O fuso vertical é acionado manualmente
através de uma manivela, acoplada a um sistema de engrenagens cônicas de 45º,
permitindo com isso que o torque aplicado em uma direção normal a do fuso, possa
movimenta-lo verticalmente. A figura 07, à seguir, lustra a MR-205.
Figura 07 – Furadeira fresadora MR-205.
Fonte: www.palaciodasferramentas.com.br
Além dos três graus de liberdade, o cabeçote é sustentado por um colar que permite
a rotação de todo o cabeçote, possibilitando assim a usinagem em ângulos que variam
de menos noventa graus a mais noventa graus.
15
No interior do cabeçote há também um fuso secundário, que movimenta apenas o
suporte da ferramenta na direção vertical, utilizado para o ajuste fino do posicionamento
vertical da ferramenta. Este fuso é utilizado quando é necessário medir o deslocamento
vertical da ferramenta, pois na frente dele há uma régua que indica o quanto ele
avançou. É possível acioná-lo através de duas manivelas, a maior normalmente é
utilizada para controlar o avanço em operações de furação, já a manivela menor é
normalmente utilizada para controlar a profundidade de corte em operações de
fresamento. A figura 08 mostra em detalhes esses componentes em uma vista da parte
frontal do cabeçote.
Figura 08 – Detalhe da parte frontal do cabeçote da MR-205.
Fonte: Imagem adaptada da Internet.
A mesa de coordenadas possui uma superfície onde as peças a serem usinadas
podem ser fixadas através de ranhuras “T”. O comprimento da mesa de coordenadas é
de 730 mm (setecentos e trinta milímetros), e a largura é de 210 mm (duzentos e dez
milímetros), porém seu curso útil é bem menor, devido à existência de limitadores de
curso a mesa tem liberdade para se mover por apenas 500 mm (quinhentos milímetros)
em uma das direções e por 175 mm (cento e setenta e cinco milímetros) na outra
direção, conforme mostrado na figura 09.
16
Figura 09 – Detalhe do curso útil da mesa de coordenadas da MR-205.
Fonte: Imagem adaptada da Internet.
Verticalmente o curso do fuso contido no interior da coluna é de 570 mm
(quinhentos e setenta milímetros), e o curso do fuso para ajuste fino, contido no interior
do cabeçote é de 120 mm (cento e vinte milímetros). Porém o curso útil vertical é a
distancia máxima entre a ponta do eixo árvore e a mesa de coordenadas, portanto seu
valor máximo é de 475 (quatrocentos e setenta e cinco milímetros), conforme figura 10.
Figura 10 – Detalhe do curso útil vertical da MR-205.
17
A máquina possibilita operações de: furação com diâmetros de até quarenta e cinco
milímetros, fresamento de topo com diâmetros de até vinte e oito milímetros, e
faceamento com diâmetros de até oitenta milímetros. O equipamento possui um encaixe
interno para Cone Morse nº4 através do qual as ferramentas são acopladas a máquina,
diretamente ou com o auxilio de acessórios como madril e pinças.
O movimento de rotação da ferramenta é executado por um motor elétrico trifásico
com potência de um e meio HP acoplado a uma caixa de engrenagens variadora de
velocidades que permite seis combinações diferentes como mostrado na tabela 1.
Tabela 01 – Velocidades do eixo arvore em rpm.
L M H
I 120 rpm 210 rpm 345 rpm
II 670 rpm 1180 rpm 1970 rpm
Na tabela são mostrados os valores possíveis de velocidades, do cabeçote, para
frequência de 60 Hz.
Esta máquina, com as configurações originais de fabrica, não pode ser utilizada para
fabricação de peças em uma escala reduzida, o principal motivo para tal limitação não
são as dimensões das ferramentas, mas sim a precisão do posicionamento e
deslocamento das mesmas, isto ocorre porque os fusos trapezoidais possuem uma folga
elevada.
Além disso, operando a máquina manualmente, o nível de complexidade das peças
que podem ser fabricadas, é bem baixo e o tempo de fabricação é elevado.
Então, visando minimizar as folgas da máquina para usinar com a devida precisão
peças em escala reduzida, com geometrias complexas e em um curto tempo, foi
elaborado um projeto para converter a MR-205 em uma fresadora CNC.
18
4. Projeto de Conversão
4.1. Descrição Geral
O projeto consiste em converter a furadeira fresadora manual descrita anteriormente,
em uma fresadora de comando numérico, que possibilite a fabricação em série de peças
em microescala com a devida precisão.
Para isso, primeiramente precisamos adotar um referencial, que será definido de
forma que o plano XY estará localizado sobre a superfície da mesa do coordenadas,
sendo: o eixo X paralelo ao fuso horizontal que faz com que a mesa se movimente para
frente e para trás, e o eixo Y paralelo ao fuso horizontal que faz com que a mesa se
movimente lateralmente. O eixo Z deverá coincidir com o eixo central do cabeçote,
onde as ferramentas serão fixadas, ou seja, será paralelo ao fuso vertical.
O sentido do eixo Z apontará de baixo para cima, e o sentido do eixo X apontará da
parte posterior da máquina para a parte frontal da máquina. Como se trata de um sistema
de coordenadas cartesiano, tendo sido definidos os sentidos dos eixo X e Z, o sentido do
eixo Y só poderá ser apontando da esquerda para a direita, do ponto de vista de
observador parado em frente a máquina. O referencial adotado fica claro observando-se
a figura 11, à seguir.
Figura 11 – Sistema de coordenada cartesiano adotado.
Fonte: Imagens adaptadas da Internet.
19
4.2. Especificações de Projeto
Será feita a automação da fresadora, porém serão abordados por este projeto apenas
os deslocamentos nas três direções X, Y, e Z. Não sendo consideradas neste projeto as
possíveis rotações do cabeçote, nem movimentações do fuso secundário. Quando a
máquina operar controlada computacionalmente, terá três graus de liberdade, e a
posição do cabeçote será fixada, com ângulo de rotação igual a zero grau. Já o porta
ferramentas, movimentado pelo fuso secundário, será fixado de forma que a ponta onde
as ferramentas são acopladas fique o mais próximo possível do cabeçote, esta posição
foi definida com intuito de diminuir vibrações da ferramenta. Quando a máquina estiver
em operação. Porém caso opte-se por sua operação manual, estas partes poderão ser
utilizadas da mesma forma que se fazia no equipamento original.
A maquina original apresenta folga acentuada no deslocamento da mesa nas
direções X e Y, sendo na direção X uma folga de 0,30 mm e na direção Y a folga é
ainda maior, igual a 1,85mm. Estes valores foram quantificados utilizando-se os colares
com escala, de ambas as direções, que serve para medir deslocamentos lineares da mesa
horizontal.
O procedimento foi o seguinte, primeiro giramos o manípulo em sentido horário, até
que a mesa começasse a se mover, em seguida o colar foi fixado ao manípulo na
posição zero, por fim giramos o manípulo no sentido anti-horário até que a mesa
estivesse na eminencia de se movimentar. A folga do fuso é definida como este percurso
no qual o fuso se movimenta, porém não gera movimentação linear da mesa. Na figura
12, é possível verificar fotos desta tomada de dados, onde pudemos ver que a folga em
X é menor que um oitavo de volta, enquanto que em Y é quase três quartos de volta,
considerando que o passo do fuso é de 2,5 mm (dois e meio milímetros), foi feita a
leitura dos valores lineares da folga citados anteriormente.
20
a) b)
Figura 12 – Folga dos fusos horizontais.
a) Folga na direção X; b) Folga na direção Y.
Operando o equipamento manualmente ficou claro que essas folgas não seriam
aceitáveis em uma fresadora CNC. Primeiramente porque mesmo na operação manual,
quando a força de corte aumentava a mesa se deslocava na direção oposta a de avanço
dando um tranco que quebrava a ferramenta.
Caso os fusos fossem mantidos, essas folgas provocariam o mesmo problema na
CNC, mas com o uso do comando numérico haveria mais um agravante, que seria a
perda da precisão do posicionamento da ferramenta, após o tranco da mesa a ferramenta
não estaria mais onde o programa considerava que ela esteva. Assim sendo, seria
necessário um controle de malha fechada do posicionamento da ferramenta, com
sensores retroalimentando o programa a todo instante com informações sobre o
posicionamento real da ferramenta.
Para resolver definitivamente o problema das folgas nos fusos, que fazia com que as
ferramentas se quebrassem, e diminuía a precisão das peças fabricadas, foi definido que
os fusos de rosca trapezoidal existentes deveriam ser substituídos por fusos de esferas
recirculantes, com folgas axial e radial igual a zero. A folga zero é uma opção de
montagem deste tipo de fuso, e por esse motivo a castanha não deve ser desacoplada do
fuso após ter sido feita a montagem com folga zero.
O acionamento dos fusos se dará através do acoplamento direto de motores de passo
em uma das extremidades de cada um dos fusos principais, porém será mantida a opção
do acionamento manual através de manivelas ou manípulos.
21
O sistema de controle de máquinas de comando numérico pode ser de dois tipos:
controle de malha aberta e controle de malha fechada. O controle de malha aberta é
mais simples e mais barato que o controle de malha fechada, pois neste tipo de sistema
não são utilizados sensores para monitorar o posicionamento da ferramenta durante a
operação de usinagem. Neste sistema, o motor deve ser necessariamente o de passo, por
se tratar de um motor com alta precisão em seu posicionamento. A figura 13 mostra
esquematicamente um sistema de controle de malha aberta
Figura 13 – Sistema de controle de malha aberta.
Fonte: figura da apostila SILVEIRA [8].
Já quando é utilizado um sistema de controle de malha fechada, não há a
necessidade de se utilizar um motor de passo, pois há transdutores monitorando e
reajustando continuamente a posição da ferramenta. A figura 14 mostra
esquematicamente um sistema de controle de malha fechada.
Figura 14 – Sistema de controle de malha fechada.
Fonte: figura da apostila SILVEIRA [8].
Foi feita a opção pela utilização do motor de passo, devido justamente à precisão de
seu posicionamento, que propicia a utilização de um sistema de controle de malha
22
aberta. Sistema esse, mais simples e mais barato que o sistema de malha fechada, que
deveríamos utilizar, caso optássemos por um servo motor. Em um micro computador
convencional, serão instaladas três placas controladoras (driver controlador do motor de
passo), compatíveis com os motores selecionados, uma para comandar o funcionamento
de cada um deles.
As movimentações horizontais da mesa não necessitam de um torque muito elevado,
operando manualmente a máquina é possível movimentar as mesas facilmente sem
grande esforço físico, isto ocorre pois todo o peso das próprias mesas e o peso da peça a
ser usinada são descarregados sobre as guias rabo de andorinha. Havendo uma
lubrificação adequada entre as superfícies da guia, o atrito diminui e com isso o torque
necessário para mover a mesa também diminui. A figura 15 mostra um detalhe da mesa
de coordenadas.
Figura 15 – Detalhe da mesa de coordenadas.
Fonte: Imagem adaptada da Internet.
Porém a movimentação vertical, através do fuso principal, requer um torque
bastante elevado, tendo em vista que todo o peso do cabeçote é descarregado sobre o
fuso da direção Z. Para que não haja um esforço excessivo sobre o novo fuso Z, e
também, para que não seja necessária a utilização de um motor de passo com o torque
muito elevado, deverá ser criado um sistema de contrapesos, para minimizar o esforço
necessário para mover o cabeçote.
Para automatizar a máquina, porém manter a opção do acionamento manual dos três
fusos, serão necessárias algumas alterações adicionais no equipamento original,
23
principalmente no sistema de movimentação na direção X. Foi feita esta opção por
manter o acionamento manual para que a máquina seja ainda mais versátil.
A principal dificuldade para se seguir esta opção de projeto na direção X é que o
fuso desta direção fica posicionado no interior da base, e não atravessa toda a extensão
da mesma. Originalmente, uma das extremidades do fuso X atravessa a parte frontal da
base, e um volante é acoplado à esta extremidade, enquanto a outra extremidade fica
livre, porém no interior da base, em uma região de difícil acesso, como mostrado na
figura 16. Acoplar o motor de passo da direção X nesta região, não seria desejável, pois
dificultaria bastante a manutenção do mesmo, já que para acessa-lo, seria necessário
desmontar ou içar toda a máquina.
Figura 16 – Detalhe da Base.
A solução encontrada para essa questão é que o novo fuso da direção X tenha um
comprimento maior que o fuso original, de forma que possa atravessar toda a extensão
da base. Desta forma, à extremidade frontal do novo fuso será acoplado o volante
original, mantendo-se assim a opção do acionamento manual. Já a outra extremidade do
fuso deverá atravessar a parte posterior da base, na qual deverá ser aberto um furo para
permitir a passagem do fuso. À esta extremidade livre e acessível do novo fuso X, será
acoplado o motor de passo da direção X.
Um suporte para o motor deverá ser fabricado, este será fixado à parte posterior da
base. Além disso, há também a necessidade de fabricação de um suporte para a nova
castanha X, este suporte deverá fixar a castanha à parte inferior da mesa X
24
Na direção Z, a solução é mais simples, o fuso será substituído, porém a ponta
inferior do novo fuso será acoplada no sistema de engrenagens cônicas já existente,
original da máquina, mantendo assim a possibilidade do acionamento manual nesta
direção. À outra extremidade deste fuso, que originalmente era uma extremidade livre,
será acoplado o motor de passo da direção Z. Para este caso também será necessária a
fabricação de um suporte para o motor, que será fixado na parte superior da coluna, e
um suporte para a nova castanha Z, que terá como função acoplar o cabeçote à castanha
Z.
A solução na direção Y também é bastante simples, uma das extremidades do novo
fuso deverá ser acoplada ao volante existente, mantendo a opção do acionamento
manual, na outra extremidade, originalmente acoplada a outro volante, deverá ser
acoplado o motor de passo da direção Y. Haverá também, como nos casos anteriores, a
necessidade de fabricação de duas peças, um suporte para o motor, que deverá ser
fixado em uma das extremidades da mesa Y, e um suporte para a castanha Y, que
deverá fixar a castanha Y ao centro da parte superior da mesa X.
A figura 17 ilustra em duas vista, de maneira geral, como ficará a máquina após a
execução das adaptações descritas acima. Mais à frente, neste trabalho, cada um dos
componentes alterado ou fabricado serão mostrados em detalhes.
Figura 17 – Vistas da MR-205 após ser convertida em CNC.
25
4.3. Seleção dos Principais Componentes
4.3.1. Fusos de Esferas Recirculantes
O fuso é um elemento que transforma movimento de rotação em movimento linear
ou transforma movimento linear em movimento de rotação. Fusos de esferas
recirculantes exercem essa função com altíssima eficiência devido ao baixo atrito. Seu
rendimento mecânico, segundo o catálogo da HIWIN [15], pode ser superior a noventa
por cento, na figura 18 é mostrado um gráfico, no qual são comparados os rendimentos
mecânicos típicos de fusos convencionais com rosca trapezoidal, com os rendimentos
mecânicos típicos de fusos de esferas recirculantes, para determinados ângulos de
hélice.
Figura 18 – Rendimento mecânico de fusos trapezoidal e de esferas.
Fonte: Catalogo ENGROJ [14].
Essa eficiência elevada diminui o torque de acionamento necessário para um
determinado serviço. Segundo ENGROJ [14], o torque de acionamento pode ser
calculado à partir da carga de trabalho , necessária para movimentações lineares, do
passo do fuso, e do rendimento mecânico do fuso, com a seguinte equação:
[ ] sendo: [ ], [ ] e [ ].
26
Para que possamos selecionar adequadamente os fusos, precisamos primeiro
entender e estudar o efeito de cada uma das operações de usinagem nos componentes de
uma fresadora, e para isso devemos definir o que são, e como se calcula alguns
parâmetros de corte.
Em operações tanto de furação quanto de fresamento, há uma série de movimentos
relativos entre a ferramenta, ou melhor dizendo, entre a aresta cortante e a peça, porém
nem todos resultam diretamente na retirada de cavaco. O movimento diretamente
responsável pela saída de cavaco é o chamado movimento efetivo de corte, e é
resultante dos movimentos de avanço e de corte, realizados simultaneamente.
Fixando-se um ponto de referência em uma das arestas principais de corte da
ferramenta podemos definir a velocidade de corte como a velocidade instantânea
deste ponto na direção e sentido do movimento de corte. Já a velocidade de avanço
pode ser definida como a velocidade instantânea da ferramenta na direção e sentido do
movimento de avanço. A resultante da soma vetorial destas duas velocidades é a
velocidade efetiva de corte , ou seja, é a velocidade instantânea do ponto de referência
da aresta principal de corte, na direção instantânea do movimento efetivo de corte.
À partir do número de rotações por unidade de tempo do motor, responsável pelo
movimento de rotação da ferramenta, e do diâmetro da ferramenta, podemos calcular
a velocidade de corte com a seguinte fórmula:
[ ⁄ ] sendo: [ ] e [ ].
O avanço é a grandeza de corte que indica o percurso de avanço por revolução da
ferramenta, e pode ser calculado à partir da velocidade de avanço e do número de
rotações da ferramenta, segundo a seguinte fórmula:
[ ⁄ ] sendo: [ ] e [ ].
O avanço por dente, como o próprio nome já diz, é a grandeza de corte que indica o
percurso de avanço por dente ou por aresta principal de corte da ferramenta.
No caso de operações de furação, sabemos que brocas possuem duas arestas
principais de corte, logo, o avanço por dente nestes tipos de operação é igual a metade
27
do avanço. Já em operações de fresamento, o avanço por dente depende do numero de
dentes da ferramenta em questão, e pode ser calculado da seguinte forma:
[ ⁄ ] sendo: [ ] e [ ].
Os maiores esforços que poderão ser exercidos sobre os fusos horizontais são
oriundos da forças de avanço em cada uma das direções nas operações de fresamento de
topo, já no fuso vertical, após a instalação do sistema de contrapesos, o peso do
cabeçote não será mais descarregado sobre o fuso, assim sendo, o principal esforço que
poderá atuar sobre ele será oriundo da força de avanço nas operações de furação.
Os principais materiais utilizados rotineiramente no laboratório são: aço, alumínio,
latão, e cobre. Dentre esses quatro, o material que requer maior esforço para sua
usinagem, é o aço, por essa razão, iremos calcular as forças de avanço na usinagem do
aço SAE 1020.
Para operações de fresamento, podemos utilizar algumas tabelas e diagramas para
determinar aproximadamente a magnitude máxima da força de avanço. Segundo
diagramas de FERRARESI [1], para aço SAE 1020, avanço [ ⁄ ],
profundidade de corte [ ], temos:
[ ]
Em operações de furação, a broca é submetida principalmente à duas forças, a força
de corte e a força de avanço . A força de avanço atua na direção axial da broca,
enquanto a força de corte é normal à aresta principal de corte. A força de corte atua
distribuída simultaneamente sobre as duas arestas principais de corte, e gera momento
torçor na broca. Existe uma série de fórmulas empíricas para o cálculo da forças de
avanço e do momento torçor.
Uma das fórmulas empíricas para o cálculo do momento torçor em brocas, foi
proposto por Kronenberg, para furação em cheio. Segundo a equação de Kronenberg, o
momento torçor varia em função do diâmetro da broca, do avanço da ferramenta, e
de três coeficientes , e , da seguinte forma:
[ ] sendo: [ ] e [ ].
28
Os coeficientes da equação de Kronenberg dependem das características do material
usinado. Existem tabelas com valores determinados experimentalmente para esses
coeficientes para usinagem de uma série de materiais.
Analogamente à formula proposta por Kronenberg para o cálculo do momento
torçor, H. Daar propôs uma formula para a o cálculo da força de avanço em operações
de furação em cheio. Segundo a equação de H. Daar, a força de avanço varia em função
do diâmetro da broca, do avanço da ferramenta, e de três coeficientes , e ,
da seguinte forma:
[ ] sendo: [ ] e [ ].
Os coeficientes da equação de H. Daar, assim como os da equação de Kronenberg,
também dependem das características do material usinado, e é possível encontrar em
tabelas valores de tais coeficientes determinados experimentalmente para usinagem de
uma série de materiais. Segundo H. Daar, para furação em cheio de aço SAE 1020,
temos:
Considerando as condições de trabalho como as mais rigorosas possíveis, teremos o
diâmetro da broca como sendo o diâmetro máximo recomendado pelo fabricante da
máquina para operações de furação, e o número de rotações por unidade de tempo do
motor responsável pela rotação da ferramenta como sendo o valor máximo que a
máquina alcança. Ou seja:
[ ] [ ]
Utilizando-se uma velocidade de avanço de 1,5 mm/s (um milímetro e meio por
segundo), encontramos o seguinte valor para o avanço:
[ ⁄ ]
29
Com isso, temos:
[ ]
[ ]
Tendo sido calculadas as magnitudes dos principais esforços atuantes sobre cada um
dos fusos, utilizamos um fator de segurança de uma vez e meia sobre os valores
calculados. Assim, selecionamos um mesmo modelo de fuso que pudesse atender às
necessidades das três direções, e que aliasse maior capacidade de carga dinâmica e
melhor precisão, isto é, maior diâmetro com menor passo. Com isso, as características
do fuso selecionado são: diâmetro primitivo de vinte e cinco milímetros e passo de
cinco milímetros.
A castanha selecionada foi do modelo FSI, isto é, uma castanha com flange
bifiletado e recirculador de esferas interno. Levando em conta que a máquina possui
uma severa limitação de espaço nos locais onde serão posicionadas as novas castanhas,
dentre as opções encontradas à venda para pronta entrega no mercado brasileiro, este
modelo foi o de menor dimensão.
As informações completas sobre o fuso e a castanha selecionados, encontram-se
no Apêndice II – Catálogo dos Fusos. A figura 19 ilustra a geometria da castanha que
será utilizada.
30
Figura 19 – Castanha modelo FSI.
Fonte: Catalogo ENGROJ [15].
Então, após terem sido definidas todas as especificações dos fusos e das
castanhas que serão utilizados, foi possível calcular o valor do torque de acionamento de
cada um deles. Estimando, para o pior dos casos, a eficiência do fuso em torno de
noventa por cento, e considerando a carga de trabalho , necessária para
movimentações lineares como sendo igual a força de avanço . Para ambos os fusos
horizontais temos: , e para o fuso vertical temos: . Onde
, e são respectivamente as cargas de trabalho para movimentações lineares
horizontal e vertical. Assim, o torque de acionamento de cada um dos fusos horizontais
e do fuso vertical , são:
[ ]
[ ]
4.3.2. Motores de Passo
O motor de passo é um transdutor, que converte pulsos elétricos em movimento
mecânico de rotação. A cada pulso de excitação, o rotor do motor de passo é
rotacionado em um pequeno ângulo incremental. Esse ângulo possui um valor fixo e
muito preciso, e é o chamado passo do motor. Esta característica é a principal vantagem
da utilização de motores de passo, pois possibilita um eficiente controle de
posicionamento podendo assim ser utilizado com sistema de controle de malha aberta.
Podemos classificar os motores de passos , quanto a sua estrutura, em três tipos:
motores de relutância variável (VR – Variable Reluctance); motores de ímã permanente
(PM – Permanent Magnet), e motores híbridos (Hb - Hybrid). A figura 20 ilustra cada
um destes motores.
31
a) b) c)
Figura 20 – Tipos de motores de passo.
a) de relutância variável; b) de ímã permanente; c) hibrido.
Fonte: Imagens adaptadas da Internet.
O motor de passo de relutância variável não possui ímã permanente, e por essa
razão não é sensível à polaridade da corrente. Sendo assim, seu driver controlador é
diferente dos drivers dos demais tipos de motores. É pouco utilizado industrialmente.
O motor de passo de imã permanente é o tipo mais simples de motor de passo.
Comparado aos outros tipos de motor, seu passo é grande, e ele opera com baixo torque
e em baixa velocidade. Porém seu custo é baixo, e por esse motivo é um motor
largamente utilizado em aplicações não industriais.
O motor de passo do tipo híbrido, como o próprio nome sugere, é uma
combinação dos dois tipos de motores anteriores. É o tipo de motor de passo mais
comumente utilizado em aplicações industriais.
Tendo sido calculado no item anterior o torque necessário para movimentar
linearmente cada um dos fusos e executar operações de usinagem, pudemos determinar
o modelo do motor de passo mais adequado à esses valores.
Levando em consideração que o valor máximo calculado para torque de
acionamento é de 6,6 N.m ( seis virgula seis Newtons metro), e analisando catálogos de
alguns fabricantes de motores de passo, foram selecionados três motores do tipo Nema
34 com torque máximo de 9 N.m (nove Newtons metro), um para cada eixo. Este
modelo de motor foi escolhido pois era o menor capaz de atender ao torque de
acionamento necessário em cada um dos três eixos. A curva de torque por velocidade
deste modelo escolhido podem ser observadas no catálogo do fabricante, Apêndice II.
32
As principais características do modelo escolhido são: é um motor de passo do
tipo híbrido e a cada passo seu eixo rotaciona-se num ângulo de 1,8 graus, com isso,
totaliza duzentos passos por rotação do eixo, seu “holding torque” é de 9 N.m (nove
Newtons metro), e possui um eixo de meia polegada de diâmetro. A figura 21 ilustra o
motor escolhido:
Figura 21 – Motor de Passo Nema 34.
Fonte: Imagem adaptada da Internet.
4.3.3. Sistema de Controle
As placas controladoras dos motores (ou Drivers) foram compradas no mesmo
fornecedor dos motores. Foram escolhidas placas fabricadas no Brasil, compatíveis com
os motores selecionados e também com o software Mach 3. Este software é o mesmo
utilizado na micro fresadora. Como um dos objetivos deste trabalho é fazer com que a
MR-205, após ser convertida em CNC, tenha a operação similar à micro fresadora, é
extremamente desejável que possa ser operada utilizando-se a mesma interface.
A empresa que nos forneceu os motores e os drivers controladores já oferece
comercialmente todo o sistema de controle para conversões de máquinas ferramentas
manuais em máquinas CNCs. Este sistema vem montado em um gabinete próprio para
tais conversões com 600 mm (seiscentos milímetros) de altura, por 500 mm (quinhentos
milímetros) de largura, por 250 mm (duzentos e cinquenta milímetros) de profundidade,
dotado de botão de emergência com trava. A figura 22 é uma foto do interior do
gabinete, e mostra todos os componentes do sistema de controle.
33
Figura 22 – Sistema de Controle.
À seguir foram listados os detalhes da especificação de cada um dos
componentes do sistema de controle mostrado acima.
Três Drivers controladores modelo DSMU 080, com alimentação de 40 Vcc
(quarenta Volts com corrente contínua) à 80 Vcc (oitenta Volts com corrente
contínua), cujo catálogo encontra-se no Apêndice II;
Uma placa Opto isoladora modelo LPTOP-05, com cinco entradas e doze
saídas, e alimentação de 5 Vcc (cinco Volts com corrente contínua);
Uma fonte linear com tensão de entrada de 220 V (duzentos e vinte Volts),
tensão de saída de 67 Vcc (sessenta e sete Volts com corrente contínua), e
corrente de saída de 15 A (quinze Ampères);
Uma fonte com entrada bivolt, tensão de saída de 5 Vcc (cinco Volts com
corrente contínua) e corrente de saída de 1 A ( um Ampére);
Uma CPU industrial composta por uma placa mãe modelo GA-C847N-S2,
com processador Celeron Dual Core, memória RAM de 4 Gb (quatro Giga
bytes), e dispositivo de armazenamento SSD Sata de 60 Gb (sessenta Giga
bytes), com os programas Windows 7 Profissional e Mach3 instalados.
O programa Mach 3 é um programa comercial, amplamente utilizado na
industria nos mais diversos tipos de máquinas com controle numérico computadorizado.
Este software lê e interpreta um determinado programa gerado em G-code (linguagem
específica de máquinas CNCs, definida pela norma ISO 6983) e emite sinais para os
34
drivers controladores, indicando deslocamento, direção e sentido. A figura 23 mostra a
página principal de trabalho do programa Mach 3.
Figura 23 – Tela do programa Mach 3.
O programa em G-code pode ser escrito diretamente no Mach 3 ou pode-se
utilizar um outro software chamado CAD/CAN, que lê e interpreta um desenho CAD
3D, e gera um programa em G-code. Alguns tipos de CAD/CAN possuem ferramentas
de desenho embutidas, de forma que o desenho em 3D da peça a ser produzida pode ser
feito no próprio CAD/CAN, sem que seja necessária a utilização de outro software para
elaboração do desenho em CAD.
35
5. Execução das Adaptações
Quando foi iniciada a execução das adaptações, ficou claro que algumas peças
originais da máquina deveriam sofrer adaptações para que pudessem atendessem às
novas necessidades do equipamento.
Os principais motivos para estas adaptações foram as dimensões do flange bifiletado
da castanha, que não eram compatíveis com os espaços onde deveriam ser acoplados, e
a questão da necessidade de se criar uma sequência de desmontagem da máquina com a
qual não fosse necessário o desacoplamento dos fusos de suas respectivas castanhas. Já
que caso seja necessário o desacoplamento destas peças, há uma sequência complexa de
operações indicadas pelo fabricante, que devem ser realizadas para que posteriormente
seja possível executar o reacoplamento delas.
A maquina originalmente era desmontada desacoplando primeiro os mancais da
mesa Y, e em seguida desacoplando o fuso da direção Y de sua castanha. Após esse
procedimento ser realizado, a mesa Y já estava solta e apenas apoiada sobre sua guia
rabo de andorinha, e podia então ser retirada puxando-a para um dos lados sobre a guia.
Assim que a mesa Y era retirada, era possível então retirar a castanha pertencente ao
fuso desta direção, pois essa peça ficava exposta parafusada sobre a mesa X.
Em seguida, podia-se continuar a desmontagem da máquina repetindo-se
praticamente os mesmos procedimentos anteriores na mesa X. Primeiro o mancal era
desacoplado da mesa, em seguida o fuso era desacoplado da castanha, a mesa ficava
apenas apoiada sobre a guia, porém diferente do primeiro caso era necessário soltar a
castanha do fuso da direção X antes de puxar a mesa sobre a guia, pois esta castanha
fica parafusada na parte inferior da mesa X, no interior da base, e funcionava como um
limitador de curso para esta direção.
Com a utilização do fuso de esferas recirculantes, esta sequência para desmontar a
máquina teve que ser alterada, pois era necessário retirar as mesas antes de retirar os
fusos, que deveriam ser mantidos acoplados a suas respectivas castanhas.
À seguir, serão descritas em detalhes todas as alterações que foram executadas nos
componentes originais da MR-205, além das geometrias dos componentes que
precisaram ser fabricados, para que fosse possível converter esta máquina manual em
uma CNC.
36
5.1. Adaptações na Direção X
A mesa inferior movimentada através do fuso da direção X possui apenas um
mancal, localizado em sua parte frontal, a esse mancal é acoplada um volante com
manivela, com o qual é possível movimentar todo o conjunto da mesa de coordenadas
na direção X.
Como uma das definições de projeto foi automatizar a máquina, mantendo a opção
do acionamento manual, o fuso foi substituído por outro fuso com comprimento maior
que o original, de modo que o fuso atravesse toda a base da máquina.
O novo fuso de esferas recirculantes tem 730 (setecentos e trinta milímetros de
comprimento), enquanto o original da máquina tem 450 (quatrocentos e cinquenta
milímetros). Esse aumento do comprimento foi necessário para propiciar a instalação de
um novo mancal na parte posterior da máquina, no qual o motor de passo foi fixado.
A figura 24 mostra uma vista da montagem do conjunto automatizado de
movimentação na direção X, após a execução de todos as modificações listadas à seguir.
Foi feito o acoplamento direto do motor de passo ao fuso, através de uma cavidade
usinada na ponta do fuso, onde o eixo do motor foi introduzido. Todos os detalhes da
usinagem da ponta deste fuso podem ser observados no Apêndice I – Desenho 01.
Figura 24 – Vista isométrica do conjunto automatizado de movimentação em X.
37
Optou-se por fazer a usinagem com o próprio fornecedor dos fusos, a figura 25 ilustra o
novo fuso da direção X com as extremidades usinadas, montado com sua castanha.
Figura 25 – Vista isométrica do conjunto fuso-castanha da direção X
Na extremidade frontal do fuso, foi acoplado o mancal original e o manípulo, sem
que fosse necessária nenhuma alteração ou adaptação.
Foi fabricado um novo suporte para a castanha do fuso de esferas recirculantes, cujo
detalhe para sua fabricação está mostrado no Apêndice I, Desenho 04. Esta nova peça é
o suporte da castanha X, que é ilustrado pela figura 26, à seguir.
Figura 26 – Vista isométrica do suporte da castanha X.
A fabricação desta peça foi feita na fresadora será convertida. Foi necessário
desmontar a máquina, para serem tomadas as medidas de cada um dos componentes, e
posteriormente elaborado um modelo computacional em 3D. A fresadora foi remontada
ainda sem nenhuma modificação, posto que teria que ser utilizada para fabricar as
próprias peças, necessárias para conversão.
Na parte posterior da base foi aberto um furo de 1” (uma polegada) de diâmetro, por
onde passará uma das extremidades do novo fuso. Por este motivo, este furo é alinhado
38
com o furo frontal já existente. Na figura 27 é possível perceber que parte do furo passa
pela base, e parte passa pela coluna.
Figura 27 – Vista isométrica do conjunto base-coluna.
Para tornar possível a fixação do motor de passo e seu acoplamento ao fuso da
direção X, foi fabricado um suporte posterior, cuja superfície frontal se ajustasse da
melhor maneira possível ao contorno irregular da parte posterior da base e da coluna.
Esta peça também foi fabricada na própria fresadora MR-205 antes das alterações para
ela previstas serem executadas. A figura 28 ilustra sua geometria, e o desenho para sua
fabricação encontra-se no Apêndice I – Desenho 07.
Figura 28 – Vista isométrica do suporte posterior.
39
5.2. Adaptações na Direção Y
A mesa superior, movimentada através do fuso da direção Y, originalmente
possuía dois mancais, um mancal de rolamento em uma de suas extremidades, e um
mancal de deslizamento na extremidade oposta, cada um desses mancais é acoplado a
um manípulo.
Analogamente à solução dada para a automação na direção X, em uma das
extremidades fuso foi mantido o acionamento manual por meio do manípulo, enquanto
na extremidade oposta, o motor de foi acoplado diretamente ao fuso.
A figura 29, do conjunto para movimentação na direção Y, ilustra a montagem
final da mesa superior, com seus novos componentes.
Uma das extremidades do fuso foi usinada com a mesma geometria da
extremidade do fuso original, e na outra extremidade , foi usinada uma cavidade na qual
o eixo do motor de passo foi acoplado diretamente. O desenho para usinagem das
pontas deste fuso está no Apêndice I – Desenho 02, este serviço de usinagem também
foi realizado pelo fornecedor do fuso, a figura 30 ilustra o fuso Y montado com sua
respectiva castanha, após a execução da usinagem de suas extremidades.
Figura 29 – Vista isométrica do conjunto automatizado para movimentação em Y.
Figura 30 – Vista isométrica do conjunto fuso-castanha da direção Y.
40
O movimento de translação da mesa superior em relação à mesa inferior é feito
sobre guias rabo de andorinha, por essa razão não há a possibilidade da mesa superior
ser desacoplada da inferior verticalmente. Ao virar a mesa superior e posicionar o fuso
da direção Y em seu canal central, ficou claro que haveria uma pequena região de
interferência entre o flange da castanha e a extremidade da mesa, o que impossibilitaria
a montagem e a desmontagem da mesa sobre o novo fuso.
Então, para solucionar este problema, uma das extremidades do canal foi
alargada, permitindo assim, que a mesa deslize sobre a castanha e seu flange. Podendo
desta forma, ser acoplada ou desacoplada da mesa inferior, entretanto, somente por um
de seus lados.
Não foi possível manter os mancais originais. Devido às dimensões do flange da
castanha, o novo fuso não pode ser mantido no mesmo alinhamento do original. Novos
mancais tiveram que ser fabricados de forma a comportar o novo fuso, e manter a
utilização a furação existente na mesa para fixa-los. A usinagem dos novos mancais foi
finalizada seguindo os respectivos desenhos de fabricação de cada um deles, que
encontram-se em anexo, no Apêndice I, desenhos 08 e 09. A figura 31 mostra a
geometria de cada um deles.
a) b)
Figura 31 – Vista isométrica dos mancais da direção Y.
a) Mancal de deslizamento (esquerdo); b) Mancal de rolamento (direito).
41
O suporte para a castanha do eixo Y, foi fabricada da mesma forma que o
suporte para a castanha X, seguindo as especificações do Desenho 05, anexado também
no Apêndice I. Sua geometria é mostrada de forma ilustrativa na figura 32.
O espaço entre as mesas inferior e superior, onde deveria ser fixado o suporte da
castanha Y e a própria castanha Y, tinha uma severa limitação de altura, que não era
suficiente para que a castanha pudesse ser acoplada nesta região. Para resolver esta
questão, foi necessário executar um rasgo na parte superior da mesa X, rebaixando
assim a superfície onde o suporte da castanha Y deveria ser fixado.
5.3. Adaptações na Direção Z
Para movimentações verticais, foi definido anteriormente, que apenas o fuso
principal da direção Z seria utilizado, de forma que o fuso secundário desta mesma
direção deveria ser travado, mantendo assim, a extremidade do porta ferramentas o mais
próximo possível do cabeçote, diminuindo vibrações durante operações de usinagem.
Como já havia sido observado, o fuso da direção Z movimenta todo o cabeçote
da máquina, por esta razão uma enorme força atua sobre ele fazendo com que seu torque
de acionamento seja muito elevado. Para minimizar este problema, foi projetado um
sistema de contrapesos, para anular o peso do cabeçote, reduzindo assim a carga axial
sobre o fuso. A figura 33 ilustra este sistema.
Figura 32 – Vista isométrica do suporte da castanha Y.
42
O sistema de contrapesos é composto por duas polias, nas quais são apoiados
cabos de aço. Será utilizado um laço do tipo L com sapatilha, para evitar o desgaste no
contado entre as extremidades dos cabos e os olhais, nos quais serão fixados. Detalhes e
especificações desta montagem encontram-se no Apêndice II – Catálogo dos Cabos de
Aço e Acessórios. O contrapeso terá seu movimento guiado, para isto, serão utilizadas
duas guias cilíndricas, fixadas à base.
A carga total suportada pelos cabos é inferior a 500 Kgf (quinhentos
quilogramas força), ou seja, como serão utilizados dois cabos, cada um deles deverá
sustentar uma carga inferior a 250Kgf (duzentos e cinquenta quilogramas força).
Seguindo parâmetros de dimensionamento sugeridos por BUDYNAS [4] e por
FILHO [17], o cabo selecionado possui alma de fibra natural e é da classe 6x37, esta
escolha foi feita para garantir uma maior flexibilidade do cabo. Utilizando um
coeficiente de segurança igual a cinco, indicado para içamentos, o diâmetro de cada
cabo deverá ser de 3/16 in (três dezesseis avos de polegada).
Figura 33 – Detalhe do sistema de contrapesos.
43
Para este tipo de cabo, há a recomendação de que o diâmetros da polia varie
entre dezoito e vinte e sete vezes o diâmetro do cabo. Caso essa recomendação não seja
seguida, há uma perda de resistência, então, para evitar este problema, foi escolhida
uma polia de 100 mm de diâmetro (cem milímetros).
Os olhais foram especificados seguindo recomendações do fabricante, cada um
deles deverá sustentar uma carga inferior a 125 Kgf (cento e vinte e cinco quilogramas
força), portanto, foi escolhido um parafuso olhal M-8 de aço galvanizado, cujas
especificações podem ser vistas em seu catálogo, no Apêndice II.
Foram fabricados quatro suportes para os olhais do cabeçote, para que estes
possam ser acoplados ao colar do cabeçote e ao peso na posição correta. O desenho para
a fabricação destas peça encontra-se no Apêndice I – Desenho 11, e é mostrada na
figura 34 à seguir.
Assim como nos sistemas de movimentação das direções X e Y, descritos
anteriormente, para o sistema de movimentação na direção Z, também foi necessária a
fabricação um suporte para a castanha do fuso desta direção. Os desenhos para
fabricação desta peça são apresentados no Apêndice I – Desenho 06, e a figura 35
ilustra sua geometria.
Figura 34 – Vista isométrica do suporte dos olhais.
44
Além disso, foi também fabricado e um suporte superior para fixação do motor
de passo da direção Z, cujo desenho técnico para sua fabricação encontra-se no
Apêndice I – Desenho 10. A figura 36 ilustra a geometria destas peças.
5.4. Adaptações Adicinais
Para diminuir as vibrações durante a operação da máquina, que podiam
prejudicar a precisão das peças fabricadas, e também para facilitar seu nivelamento,
foram instalados sob o gabinete de trabalho quatro pés amortecedores de vibração
impacto, conhecidos popularmente pelo nome da marca que os fabrica, Vibra Stop. Foi
utilizado Vibra Stop tradicional modelo MAC, cada um deles com capacidade de carga
estática de até 200 Kg (duzentos Kilogramas). Demais detalhes podem ser encontrados
no Apêndice II – Catálogo dos Amortecedores.
Devido as grandes dimensões do gabinete no qual o sistema de controle foi
montado pelo fornecedor, optamos por não utiliza-lo. Todos os componentes do sistema
de controle, listados no capítulo anterior, foram removidos do gabinete no qual vieram
instalados, porém foram mantidos fixados a placa original, do fundo deste gabinete.
Posteriormente, esta placa contendo todo o sistema de controle, foi fixados no interior
de outro gabinete, o gabinete de trabalho, localizado sob a MR-205. Para facilitar o
acesso a tais componentes, não só para a instalação como também para futura
manutenção dos mesmo, neste novo local, a porta do gabinete de trabalho foi
aumentada.
Figura 35 – Vista isométrica do suporte da castanha Z.
Figura 36 – Vista isométrica do suporte superior.
45
A figura 37 ilustra a geometria do gabinete de trabalho fixado sobre o conjunto
de vibra stop, após a execução das adaptações em sua porta.
A interface entre o sistema de controle e o operador é feita através do programa
Mach3, utilizando-se uma tela touch screen de 16” (dezesseis polegadas). Esta opção foi
feita para evitar a utilização de mouse e teclado, próximo à máquina. Pois estes
componentes seriam danificados rapidamente em um ambiente com cavaco.
Para fixar a tela à fresadora, foi utilizado um braço em L, preso na lateral da
coluna, como mostrado pela figura 38, à seguir.
Figura 37 – Vista isométrica do gabinete de trabalho sob a MR-205.
Figura 38 – Vista isométrica da tela touch screen fixada na coluna.
46
6. Utilização da máquina convertida
O exemplo de utilização de fresadora convertida no Lab. MEMS, será na
fabricação de trezentos microtrocadores de calor para a refrigeração de células
fotovoltaicas com alta concentração (HCPV).
Como mostrado anteriormente neste trabalho, GUERRIERI [6] projetou e
fabricou um protótipo de microtrocador de calor para tal aplicação, porém, após a
realização de testes com o protótipo, ficou claro seria necessária a execução de mais
alguns ajustes na geometria do microtrocador.
Um dos principais problemas detectados por GUERRIERI [6] durante sua
pesquisa, foi que quando a temperatura do microtrocador de calor aumentava, os pinos
proeminentes para entrada e saída de líquido aqueciam os tubos de alimentação e
escoamento de fluido. Isto causava a dilatação dos tubos, como estes eram acoplados à
parte externa dos pinos, a vedação nestes pontos de conexão era prejudicada.
Além disso, a fabricação de tais pinos demandava um tempo elevado e ainda,
fazia com que houvesse o desperdício de muito material.
A solução encontrada para esta questão foi eliminar os pinos proeminentes. No
lugar deles foram feito furos passantes de dois milímetros de diâmetro, com rosca
métrica M 2. A cada um desses furos deverá ser acoplada uma conexão para engate
rápido. Desta forma, os tubos passarão a ser encaixados na superfície interna do
acoplamento, e ao contrário do que ocorria com a utilização da solução de acoplamento
anterior, ao haver dilatação dos tubos devido aumento da temperatura, não haverá
prejuízos na vedação. As figuras 39a e 39b mostram com maior clareza esta nova
configuração.
47
O tempo total necessário para se fabricar apenas uma unidade do microtrocador
de calor proposto inicialmente por GUERRIERI [6], partindo de um material bruto e
utilizando apenas a micro fresadora era de aproximadamente oito horas de trabalho.
Sendo que a maior parte deste tempo é gasta apenas preparando as superfícies, fazendo-
se faceamentos para garantir que cada uma das faces esteja plana, e que haja
paralelismo e perpendicularidade entre elas.
Com a implementação do comando numérico na macro fresadora e com a
melhora de sua precisão, será possível utiliza-la para executar toda a pré-fabricação dos
microtrocadores de calor, formando como base placas com diversas pré-formas das
pastilhas. Estas placas terão faces planas e com devido paralelismo e
perpendicularidade, e serão produzidas em um tempo curto e utilizando ferramentas
mais baratas e fáceis de serem compradas e repostas.
Após a fabricação das placas, pré-formas das pastilhas, na macro fresadora, cada
uma delas será levada à micro fresadora, onde os micro canais serão usinados de uma só
vez em todas as pastilhas da placa. Com isso a utilização da micro fresadora será
otimizada, pois ela realizará apenas a fabricação em micro escala, e além disso, fará de
uma só vez os micro canais de várias pastilhas de uma só vez.
a) b)
Figura 39 – Geometria final do microtrocador de calor.
a) Vista explodida; b) Foto do protótipo.
48
Para viabilizar a fabricação em série dos microtrocadores de calor,
primeiramente, deverá ser fabricado um gabarito, para que as peças brutas sejam
rapidamente fixadas à mesa da macro fresadora. Este gabarito é uma peça com um rasgo
com a espessura da chapa bruta a ser usinada, e com um rebaixo com a largura da chapa
após os faceamentos laterais, como mostrado na figura 40. Com esses gabaritos, será
feita a preparação de várias pastilhas ao mesmo tempo.
Figura 40 – Vista isométrica do gabarito para fixação da placa.
Considerando para a fabricação das placas, a utilização de barras chatas de cobre
eletrolítico com espessura de 1/8 in (um oitavo de polegada), por 27 mm (vinte e sete
milímetros) de largura, por 230 mm (duzentos e trinta milímetros) de comprimento. De
forma que, em cada uma das barras sejam fabricadas dez pastilhas.
As superfícies laterais da barra podem ser faceadas utilizando-se uma fresa de
topo de 4 mm (quatro milímetros) de diâmetro. Como o diâmetro da ferramenta é maior
que a espessura da peça, o faceamento de cada lateral pode ser feito com apenas um
passe, ou caso haja grandes irregularidades a serem removidas nesta superfícies, pode
ser feito um primeiro passe de desbaste, e um segundo passe de acabamento. A figura
41 mostra a fixação da placa ao gabarito para que seja feito o faceamento de um dos
lado da peça, após este ter sido executado, a peça deve ser refixada ao gabarito, com a
superfície faceada voltada para baixo, de forma que a superfície oposta a ela possa então
ser faceada.
49
Figura 41 – Fixação para faceamentos laterais.
As superfícies superior e inferior da barra podem ser usinadas da mesma forma
descrita acima, porém utilizando-se uma fresa de topo de 28 mm (vinte e oito
milímetros) de diâmetro, e fixando-se a barra ao gabarito como mostrado na figura 42
Figura 42 – Fixação para faceamentos superior e inferior.
Mantendo-se a peça fixada sobre o gabarito, e substituindo-se a fresa de topo por
uma broca de 1,6 mm, podem ser executados os furos das extremidades das pastilhas.
Como mostrado pela figura 43.
Figura 43 – Fixação para faceamentos superior e inferior.
E por fim, utilizando-se uma fresa de 2 mm (dois milímetros) de diâmetro, pode
ser feito através de um fresamento de topo um rebaixo para facilitar a futura separação
50
das pastilhas. A figura 44 ilustra este último paço para a fabricação da placa base de dez
pastilhas pré-forma de microtrocadores de calor.
Figura 44 – Esquema para fabricação de pré-forma de dez pastilhas
Na figura 45 é possível observar a placa, pré-forma de dez pastilhas, que poderá
posteriormente ser usinada na micro fresadora fixando-a à mesa utilizando-se o mesmo
gabarito mostrado anteriormente, utilizado para fixa-la na macro fresadora.
Figura 45 – Placa pré-forma de dez pastilhas
A fabricação da tampa pode ser totalmente executada na macro fresadora,
seguindo-se praticamente a mesma sequência de operações descritas anteriormente para
a fabricação da base, porém executando também os furos de entrada e saída de fluido
refrigerante.
51
7. Conclusão
Após serem feitas todas as adaptações especificadas anteriormente na Furadeira
Fresadora MR-205, o equipamento passará a ter uma precisão superior à original. As
folgas que antes eram de até 1,85mm, no novo sistema, com a utilização de fusos de
esfera recirculantes montados com pré-carga, serão iguais a zero.
Além disso, o passo do motor é um ângulo incremental de 1,8 graus, repetido
precisamente a cada pulso elétrico, em geral o erro destas rotações não é acumulativo, e
é de menos de 5% (cinco por cento) do passo. O motor é diretamente acoplado à ponta
do fuso, este tipo de acoplamento também garante maior precisão na transmissão do
torque. Considerando que o passo do fuso é igual a 5 mm (cinco milímetros), cada passo
do motor terá como resultado um deslocamento linear de precisamente 25 µm (vinte e
cinco micrometros). Originalmente, o menor valor na escala utilizada para medir os
deslocamentos lineares era o dobro deste.
O curso útil da mesa foi aumentado na direção X em 100 mm (cem milímetros),
passando a ser igual a 275 mm (duzentos e setenta e cinco milímetros). Nas outras
direções, foram mantidos os cursos originais, sendo de 500 mm (quinhentos milímetros)
na direção Y, e de 475 (quatrocentos e setenta e cinco milímetros) na direção Z.
A interface entre a fresadora adaptada e o operador é feita através de uma tela
touch screen de 16”(dezesseis polegadas), utilizando-se para o programa Mach3,
instalado no sistema de controle. A micro fresadora também utiliza este mesmo
programa.
Enfim, todas as características citadas demonstram que a máquina adaptada,
além de mais precisa que a original, é também bastante parecida com a micro fresadora
existente no Lab. MEMS, atendendo desta forma aos principais objetivos deste trabalho,
e tornando viável a fabricação em série de microtrocadores de calor para células
fotovoltaicas de alta concentração, que motivou todo este estudo.
A figura 46, uma ampliação de uma das figuras mostrada no capitulo 4, ilustra
novamente a montagem final da furadeira fresadora MR-205 após sua conversão em
fresadora com controle numérico computadorizado.
52
Figura 46 – Ampliação da vistas da MR-205 conversão em CNC.
53
8. Bibliografia
[1] FERRARESI, DINO, fundamentos da Usinagem dos Metais. 14ª reimpressão. Ed.:
Edgard Blücher Ltda, 2011.
[2] DINIZ, ANSELMO E., MARCONDES, FRANCISCO C., COPPINI, NIVALDO
L., Tecnologia da Usinagem dos Materiais. 7ª ed. – São Paulo: Artliber, 2010.
[3] SILVEIRA, JOSÉ LUIS L., “Notas de Aulas de Usinagem”, Departamento de
Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio de Janeiro.
[4] BUDYNAS, RICHARD G., NISBETT, J. KEITH, Elementos de Máquinas de
Shigley. 8ª ed. – Porto Alegre: AMGH, 2011
[5] NIEMANN, GUSTAV, Elementos de Máquina. Vol. 1, 13ª reimpressão. Ed.:
Edgard Blücher Ltda, 2012.
[6] GUERRIERI, DADUÍ CORDEIRO, Análise Teórico-Experimental de
microtrocadores de calor para controle térmico de painéis fotovoltaicos de alta
concentração. – Rio de Janeiro:Dissertação UFRJ/COPPE, 2013.
[7] CORRÊA, M. A., Projeto e Otimização de Dissipadores Térmicos de Micro-Canais
Para Células Fotovoltaicas De Alta Concentração, Rio de Janeiro: Projeto Final - UFRJ,
2013.
[8] SILVEIRA, JOSÉ LUIS L., “Introdução ao Comando Numérico”, Departamento de
Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio de Janeiro.
[9] ARAUJO, ANNA CARLA., “Forças de Corte em Ferramentas Multicortantes”,
Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio de Janeiro.
54
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[11] http://www.actiontechnology.com.br/, acessado em 10/02/2014.
[12] http://www.tekkno.com.br/, acessado em 10/02/2014.
[13] BRITES, FELIPE G., ALMEIDA SANTOS, VINICIUS P., “Tutorial – Motor de
Passo”, Programa de Educação Tutorial – PET-Tele, Universidade Federal Fluminense.
[14] ENGROJ, Catálogo de Venda - Fuso de Esferas Recirculantes.
[15] HIWIN, Ballscrews – Technical Information.
[16] MANROD, http://www.manrod.com.br/ , acessado em 15/02/2014.
[17] FILHO, FLÁVIO DE MARCO, “Elementos de Transmissão Flexíveis”,
Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio de Janeiro.
[18] WARFIELD, BOB, http://www.cnccookbook.com/, acessado em 10/03/2014.
[19] CENTROID, http://www.centroidcnc.com/, acessado em 10/03/2014.
[20] EAS, http://www.embeddedtronics.com/, acessado em 10/03/2014.
I
Apêndice I – Desenhos técnicos
Lista de desenhos:
Desenho 01: Fuso X
Desenho 02: Fuso Y
Desenho 03: Fuso Z
Desenho 04: Suporte da Castanha X
Desenho 05: Suporte da Castanha Y
Desenho 06: Suporte da Castanha Z
Desenho 07: Suporte Posterior
Desenho 08: Mancal Direito
Desenho 09: Mancal Esquerdo
Desenho 10: Suporte Superior
Desenho 11: Suporte do Olhal
II
Desenho 01: Fuso X
III
Desenho 02: Fuso Y
IV
Desenho 03: Fuso Z
V
Desenho 04: Suporte da Castanha X
VI
Desenho 05: Suporte da Castanha Y
VII
Desenho 06: Suporte da Castanha Z
VIII
Desenho 07: Suporte Posterior
IX
Desenho 08: Mancal Direito
X
Desenho 09: Mancal Esquerdo
XI
Desenho 10: Suporte Superior
XII
Desenho 11: Suporte do Olhal
XIII
Apêndice II – Catálogos
Catalogo da Furadeira Fresadora MR-205:
XIV
Catalogo dos Fusos:
XV
XVI
Catalogo dos Motores de Passo:
XVII
Catalogo dos Drivers dos motores:
XVIII
Catalogo dos Amortecedores:
XIX
Catalogo dos Cabos de Aço e Acessórios:
XX
XXI