machining non-metals - usinagem de não metais (polímeros e madeira).campos, vicente
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Tese desenvolvida para obtenção do titulo de Engenheiro de Produção. Contato: [email protected]TRANSCRIPT
FACULDADE DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
ENGENHARIA DE PRODUÇÃO
VICENTE ANTONIO MANGABEIRA CAMPOS
FILHO
Usinagem de materiais não metálicos
SALVADOR – BA
2010
VICENTE ANTONIO MANGABEIRA CAMPOS FILHO
Usinagem de materiais não metálicos
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à
Coordenadoria do Curso de Engenharia de
Produção da Faculdade ÁREA1, como requisito
parcial para obtenção do grau de Bacharel em
Engenharia.
Orientador: Prof. Ismael Emílio de Oliveira Jr,
M.Sc.
SALVADOR – BA
2010
C218u Campos Filho, Vicente Antonio Mangabeira.
Usinagem de materiais não metálicos. / Vicente Antonio Mangabeira
Campos Filho. Salvador: VAMCAMPOSFILHO, 2010.
52 fls. lls
Monografia (Graduação) – ÁREA1 – Faculdade de Ciência e Tecnologia,
2010.
Orientador: Prof. M. Sc. Ismael Emílio de Oliveira Júnior
1. Usinagem de madeira 2. Usinagem de Polimeros 3. Conformação
mecanica I. Oliveira Júnior, Ismael de. II. Título
CDU 630.83
CDU 658.5
VICENTE ANTONIO MANGABEIRA CAMPOS
FILHO
Usinagem de materiais não metálicos
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à
Coordenadoria do Curso de Engenharia de
Produção da Faculdade ÁREA1, como requisito
parcial para obtenção do grau de Bacharel em
Engenharia.
Orientador: Prof. Ismael Emílio de Oliveira Jr,
M.Sc.
BANCA EXAMINADORA
Ismael Emílio de Oliveira Júnior (orientador) – Professor M.Sc.
Faculdade ÁREA1
Joselito da Silva Santos – Professor Dr.
Faculdade ÁREA1
Angela Cristina Andrade Costa – Professora M Sc.
Faculdade ÁREA1
Aprovada em
Dedico este trabalho a minha avó e minha mãe
que sempre me amaram acima de tudo.
Se hoje estou aqui, é porque subi em ombros de gigantes.
AGRADECIMENTOS
O universo é algo complexo para ter sido criado por acaso, por isto, agradeço primeiramente a esta
força criadora, que milimetricamente e com toda a complexidade criou tudo aquilo que conhecemos.
Agradeço especialmente à minha avó e minha mãe que tanto amo, minhas tias e meus tios.
Agradeço a todos os meus professores aos quais tenho carinho especial por ter auxiliado a construir
tudo que sou hoje, especialmente a professora Marinalva e por ter me auxiliado nesta pesquisa, e ao
professor Ismael por ter sido um grande professor na matéria de mecânica e ter me inspirado a
construir este trabalho.
Agradeço a meus colegas de curso, especialmente Danilo Silva e Jorge Castro aos quais foram
grandes amigos na caminhada deste curso.
Agradeço a Isaac Newton por ter iluminado o mundo com as suas descobertas.
RESUMO
O presente estudo tem o objetivo de apresentar o assunto sobre a usinagem de materiais não
metálicos. A usinagem é o ato de se refinar a peça com o propósito de remover os abscessos
deixados pelos processos antecedentes, com isto, este trabalho acarreta a visão econômica e os
principais fatores que proporcionam o baixo desempenho que o país possui neste seguimento.
Também é abordado pelo autor o uso de fluidos de corte alternativo (vegetal), que é uma
forma de visão de produção mais limpa ao processo mecânico. Além disto, esta pesquisa
aborda a usinagem de polímeros, fazendo um levantamento bibliográfico, com o intuído de
encontrar uma melhor forma para conhecer as restrições e efeitos deste tipo de material no
processo.
Palavras-chave: Usinagem de madeira; Usinagem de polímeros; Fluidos de cortes
alternativos; Avaliação econômica da usinagem; Competitividade da usinagem nacional.
ABSTRACT
This study aims to present the matter on the machining of nonmetallic materials. The
machining is the act of refining the piece in order to remove the abscess left by previous
processes, with that, this work brings the vision and key economic factors that provide the
poor performance that the country has in this action. The author also addresses the usage of
alternative cutting fluids (vegetable), which is a cleaner production view to a mechanical
process. Moreover, this research addresses the polymers machining, making a literature
survey aiming of finding better ways to know the restrictions and effects of this kind of
material during the process.
Key Words: Machining of wood, machining of polymers; Fluids alternative cuts, economic
evaluation of machining; National competitiveness of machining.
Lista de Figuras
Figura 1 – Exemplos do Processo de Torneamento. ...........................................................................17
Figura 2 – Exemplos do Processo de Aplainamento. ..........................................................................17
Figura 3 – Exemplo do Processo de Furação. .....................................................................................18
Figura 4 – Exemplos do Processo de Mandrilamento. ........................................................................18
Figura 5 – Exemplos do Processo de Fresamento. .............................................................................19
Figura 6 – Exemplos do Processo de Brochamento. ...........................................................................19
Figura 7 – Exemplo do Processo de Serramento. ...............................................................................20
Figura 8 – Exemplo do Processo de Roscamento. ..............................................................................20
Figura 9 – Exemplo do Movimento de Corte com Avanço. .................................................................21
Figura 10 – Lubricidade de Ferramentas. ...........................................................................................25
Figura 11 - Cadeia de Polimerização do Polietileno. ...........................................................................27
Figura 12 - Polímero com Cadeia sem Ramificações. .........................................................................28
Figura 13 - Polímero com Cadeias Ramificadas. .................................................................................28
Figura 14 – Polímero com Cadeia Reticulada ou com Ligações Cruzadas. ...........................................28
Figura 15 – Representação do Átomo no Modelo Rutherford-Bohr. ..................................................30
Figura 16 – Ligação Atômica do Tipo Iônica. ......................................................................................31
Figura 17 – Ligação Atômica do Tipo Coordenada. ............................................................................31
Figura 18 – Ligação Atômica do Tipo Metálica. ..................................................................................32
Figura 19 – Ligação Atômica do Tipo Covalente. ................................................................................32
Figura 20 – Cadeia Polimérica Linear. ................................................................................................33
Figura 21 – Cadeia Polimérica Ramificada. ........................................................................................34
Figura 22 – Cadeia Polimérica com Ligações Cruzadas. ......................................................................34
Figura 23 – Representação da Dureza Janka por espécie de madeira. ................................................45
Figura 24 – Representação da Contração Volumétrica da Madeira. ...................................................46
Sumário
1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................................14
2 JUSTIFICATIVA ................................................................................................................................15
3 PROCESSO DE USINAGEM ..............................................................................................................16
3.1 Movimento da Ferramenta e Peça ...........................................................................................21
3.2 Formação do Cavaco ...............................................................................................................22
3.3 Fluido de Corte ........................................................................................................................23
3.4 Vantagens do Óleo vegetal ......................................................................................................24
3.5 Lubricidade das Ferramentas com Óleos Vegetais ...................................................................25
3.6 Usinagem de Polímeros ...........................................................................................................26
3.7 Conceitos Fundamentais dos Polímeros ...................................................................................26
3.8 Breve Conceito Atômico ..........................................................................................................29
3.9 Forças Moleculares Atuantes nos Polímeros ............................................................................30
3.10 Tipos de Cadeias Poliméricas .................................................................................................33
3.11 Classificação dos Polímeros Quanto ao Comportamento Mecânico .......................................35
3.12 Propriedades Sobre a Usinagem de Polímeros .......................................................................35
3.13 Usinagem de Madeira ...........................................................................................................37
3.14 Avaliação Econômica da Usinagem de Madeira .....................................................................37
3.15 Tipo de Matéria-Prima de Madeira ........................................................................................39
3.16 Processo de Manufatura........................................................................................................40
3.17 Tecnologia de Usinagem Madeireira ......................................................................................42
3.18 Efeitos considerados na Usinagem Madeireira. ......................................................................44
4 Metodologia de Pesquisa ...............................................................................................................47
4.1 Problema.................................................................................................................................47
4.2 Objetivo ..................................................................................................................................47
4.3 Hipótese ..................................................................................................................................47
4.4 Metodologia ............................................................................................................................47
5 considerações finais da pesquisa ....................................................................................................48
5.1 Conclusões ..............................................................................................................................50
Referências...........................................................................................................................................51
14
1 INTRODUÇÃO
A usinagem é um processo pouco abordado em nosso país, quando se trata
de materiais não metálicos, nota-se certa escassez quanto à quantidade de
pesquisa. Desta forma, hoje vivemos um enorme contraste da usinagem de madeira,
onde temos uma grande diversidade de espécies, no entanto, apresentamos uma
baixa competitividade no mercado mundial deste seguimento.
A pesquisa sobre a usinagem para materiais como madeira e polímeros, traz
a tona fundamentos teóricos e restrições que, se forem acompanhados ou
estudados, ganham a possibilidade de aperfeiçoamento a eliminação de erros
pertinentes ao processamento do mesmo. Para Lucas Filho (2004, p. 149), “as
causas de baixa eficiência produtiva na usinagem de madeiras estão relacionadas,
principalmente, ao desconhecimento dos fenômenos envolvidos”. Atualmente,
existem algumas pesquisas desenvolvidas neste assunto, ainda assim, é
visivelmente um campo amplo e carente para o desenvolvimento de pesquisas.
Segundo Lucas Filho (2004, p. 22), “a importância do estudo da usinagem se
exprime ainda mais quando há uma ligação direta com o custo da produção”. A
pouca especialidade da mão-de-obra, assim como, a defasagem tecnológica do
seguimento, proporciona a não existência de um design inferindo diretamente no
marketing e na qualidade do produto, Bonduelle apud Lucas Filho (2004, p. 33).
O conhecimento sobre a usinagem de não metais fundamenta a teoria sobre
o assunto, de maneira a gerar uma oportunidade de melhoria ao processo. Esta
pesquisa bibliográfica fundamenta propriedades dos polímeros e madeiras no
processo de usinagem, alem de, indicar fatores que impedem um maior
desempenho competitivo do setor, procurando gerar oportunidades de melhorias e
otimizações aos processos.
A usinagem é um segmento que se fomentado o crescimento pode-se tornar
um grande fator econômico ao país. No caso dos não metais como a madeira, o
Brasil possui uma grande variedade de matéria-prima, o que já um grande fator
competitivo em relação a outros países, desta forma, conclui-se a importância do
estudo nesta área.
15
2 JUSTIFICATIVA
O processo de usinagem de materiais não metálicos é um tema pouco
abordado em nosso país, o que se percebe pela pouca quantidade de assuntos
disponíveis quando comparado a outros campos de pesquisa. Pode-se ver que, com
isto, o país perde competitividade em produtos gerados internamente que
contenham na sua confecção este tipo de processo. Isto se mostra claramente no
caso do mercado de móveis, no qual o Brasil vive grande contradição, possuindo
uma enorme diversidade de espécies de madeira, mas tendo um diminuto destaque
neste mercado. Em particular, o país não é um grande especialista mundial no setor
de conformação mecânica, seja em materiais metálicos ou não. Atualmente, saem
toneladas de matéria-prima para o exterior, que sofrem processos mecânicos e
retornam com um maior valor agregado. A pesquisa nesta área é importante porque
contribui para o avanço e o desenvolvimento de novas técnicas e procedimentos
que, por sua vez, possam aperfeiçoar conhecimentos e processos, gerando uma
maior visão para a indústria da usinagem.
16
3 PROCESSO DE USINAGEM
A usinagem é um processo bastante antigo utilizado pelo homem para a
confecção de produtos em série. De acordo com a história, o processo de usinagem
acompanha a industrialização, ainda mais com uma sociedade crescente que exige
cada vez mais a eficiência de produtos com qualidade e em grandes quantidades.
O processo de usinagem é composto por alguns fatores, como o método
utilizado, a máquina-ferramenta, o material a ser usinado, a ferramenta de corte e os
fluídos de corte. A importância da usinagem foi descrita por Chiaverini, (1986, pag.
193) como: “as peças fabricadas por processos convencionais, geralmente
apresentam irregularidades grosseiras, necessitando assim de um tratamento ao
seu acabamento”.
As máquinas-ferramenta atuais apresentam uma grande rigidez, o que diminui
suas vibrações e melhora o seu processo. Com o avanço tecnológico, obteve-se
grande suporte às máquinas, trazendo maior precisão, como os recursos do
comando de controle numérico. A usinagem de altíssima velocidade de corte é um
exemplo disso, apesar de não ser muito utilizada no Brasil, por haver poucos
institutos de pesquisas no assunto.
A usinagem é definida como um processo que utiliza como ferramenta um
material mais duro que o da peça. A ferramenta, atua desgastando o material a ser
usinado, resultando numa conformação desejada à peça. Baseando-se na dureza
relativa, vários materiais de ligas foram criados com maior resistência,
principalmente para suprir as necessidades aeronáuticas, o que obrigou o
surgimento de ferramentas ainda mais resistentes, novas geometrias e técnicas.
No entanto, a usinagem de materiais frágeis ou operações como fresamento,
em que, os cortes são interrompidos, requerem ferramentas com suficiente
tenacidade, pois há necessidade de que elas suportem os choques mecânicos,
térmicos e possíveis impactos inerentes a tais processos.
De modo geral, o processo de usinagem consiste de um material que é
removido por uma ferramenta de corte, produzindo assim um “cavaco”, resultando
em uma peça com formas e dimensões desejadas.
17
Há vários tipos de processos de usinagem, como por exemplo, o
Torneamento, que é o processo mecânico de usinagem destinado à obtenção de
superfícies, com o auxilio de uma ou mais ferramentas. Para isto, a peça gira em
torno do eixo principal de rotação da máquina e a ferramenta se desloca
simultaneamente, segundo uma trajetória com o eixo referido; O torneamento pode
ser retilíneo ou curvilíneo, como mostrado na figura abaixo:
Figura 1 – Exemplos do Processo de Torneamento.
(Fonte: http://academicos.cefetmg.br)
Existe também o processo de Aplainamento, que é destinado à obtenção de
superfícies regradas, geradas por um movimento retilíneo alternativo da peça ou
ferramenta, podendo ser este movimento na horizontal ou na vertical. Por sua vez,
este pode ser um aplainamento de desbate ou de acabamento da peça, como
ilustrado na figura abaixo:
Figura 2 – Exemplos do Processo de Aplainamento.
(Fonte: http://academicos.cefetmg.br)
18
O processo de Furação usado para a obtenção de um furo, geralmente
cilíndrico na peça, com o auxilio de uma ferramenta multicortante. Com isto, a peça
ou ferramenta se desloca numa trajetória retilínea coincidente com o eixo principal
da máquina ou paralela a este, como mostra a figura abaixo:
Figura 3 – Exemplo do Processo de Furação.
(Fonte: http://academicos.cefetmg.br)
Denominado como Mandrilamento, este processo é utilizado para obtenção
de superfícies de revolução com auxilio de uma ou varias ferramentas de barra. Para
isso ocorrer, a ferramenta gira e se desloca segundo uma trajetória determinada,
conforme ilustrado abaixo:
Figura 4 – Exemplos do Processo de Mandrilamento.
(Fonte: http://academicos.cefetmg.br).
O Fresamento é um dos mais utilizados processos da usinagem, empregado
principalmente para obtenção de superfícies quaisquer com auxílio de ferramentas
19
multicortantes. Para isto, a ferramenta gira e a peça ou a ferramenta desloca-se
segundo uma trajetória pré-definida, conforme ilustração abaixo:
Figura 5 – Exemplos do Processo de Fresamento.
(Fonte: http://academicos.cefetmg.br)
Denominado de Brochamento o processo de usinagem que proporciona a
obtenção de superfícies quaisquer, executado com auxilio de ferramentas
multicortantes. Para tanto, a ferramenta ou peça se desloca numa trajetória retilínea,
coincidente com a ferramenta ou paralela a ela. O processo pode ser interno ou
externo à peça, conforme figura abaixo:
Figura 6 – Exemplos do Processo de Brochamento.
(Fonte: http://academicos.cefetmg.br)
Para a usinagem da madeira, existe um processo bastante utilizado que é o
Serramento. Assim, define-se como sendo um processo destinado ao
seccionamento ou recorte, com uso de, ferramentas multicortante de pequena
espessura; Para isto, a ferramenta se desloca ou se mantém parada, conforme a
ilustração a seguir:
20
Figura 7 – Exemplo do Processo de Serramento.
(Fonte: http://academicos.cefetmg.br)
No processo de usinagem, existe um corte chamado de Rosqueamento, que
é um processo voltado à obtenção de filetes via abertura de um ou vários sulcos
helicoidais uniformes em superfícies cilíndricas ou cônicas de revolução. Para isto, a
peça ou a ferramenta gira, e uma delas se desloca simultaneamente seguindo uma
direção retilínea paralela ou inclinada em relação ao eixo de rotação. Este
roscamento pode ser interno ou externo, como exemplificam as ilustrações a seguir:
Figura 8 – Exemplo do Processo de Roscamento.
(Fonte: http://academicos.cefetmg.br)
21
De maneira geral, estes são os principais modos de usinagem. A maior parte
desses processos pode ser usada tanto para materiais metálicos como não
metálicos. O processo de usinagem dos plásticos na engenharia pode ser efetuado
perfeitamente com máquinas para metais e madeira.
3.1 Movimento da Ferramenta e Peça
No processo de usinagem, os movimentos são classificados com relação à
peça e à aresta cortante. No entanto, há dois tipos básicos de movimentos: os que
causam diretamente a saída do cavaco e aqueles que não tomam parte direto na
formação do cavaco. O movimento efetivo de corte origina diretamente a formação
do cavaco, o qual também pode ser resultante do movimento de corte e do
movimento de avanço.
O movimento de corte é dado entre a peça e a ferramenta sem a presença do
movimento de avanço, originando então, a remoção do cavaco somente durante um
curso ou uma volta, mostrado na imagem a seguir:
Figura 9 – Exemplo do Movimento de Corte com Avanço.
(Fonte: http://www.cimm.com.br)
Existe um movimento de avanço que consiste num procedimento efetuado
entre a peça e a ferramenta, que juntamente com o processo de corte, origina um
movimento repetido ou contínuo, durante várias revoluções ou cursos. Quando há o
movimento conjunto de corte e avanço, denomina-se então, o movimento efetivo de
corte.
22
No ambiente da usinagem, há a necessidade de locomoção da ferramenta de
corte e a peça a ser usinada, assim, considera-se a existência de movimentos para
ajuste e posicionamento. Um exemplo do movimento de posicionamento é quando
uma broca é levada ao ponto onde será feito o furo numa peça. Já o movimento de
ajuste, seria o a locomoção entre a peça e a ferramenta, no qual o desgaste da peça
deve ser compensado. Como exemplo, o movimento para compensar o rebolo numa
retificação.
3.2 Formação do Cavaco
O processo de usinagem sempre vai consistir num desgaste da superfície do
material a ser trabalhado. Este excesso de material desprendido é chamado de
cavaco. Basicamente existem alguns tipos de cavacos, são eles: Cavacos
contínuos, cavacos cisalhados e cavacos arrancados. No caso de alguns materiais
como os dos polímeros, devido a sua estrutura química, observa-se uma exceção de
comportamento de seu cavaco, no qual, apresenta-se como um material lamacento.
Cavaco do tipo contínuo é oriundo de materiais cuja capacidade de
deformação é suficiente elevada. Sua estrutura é regular e as deformações não
levam a encruamentos acentuados na sua formação, sendo que o processo não é
restringido por vibrações.
Os cavacos cisalhados são seguimentos seccionados, ou seja, originam-se
na região de cisalhamento e em parte caldeiam entre si. Apresentam maior
ocorrência em materiais frágeis e também quando a deformação produz um
encruamento acentuado na estrutura do material. Este fenômeno também ocorre em
casos de velocidades de corte extremamente baixas (corte de 1 a 3 m/min).
Os cavacos do tipo arrancados ocorrem normalmente na usinagem de
materiais frágeis e com estrutura irregular (como na usinagem de rochas). Os
cavacos não são cisalhados e sim arrancados da superfície da peça que muitas
vezes é danificada por microlascamento.
Cavaco do tipo lamacento (também chamado de cavaco lamema) Ocorre
quando a estrutura do material é irregular e levado a oscilações devido a vibrações,
23
ocasionando assim variações na espessura de seu cavaco. Este fenômeno pode
ocorrer tanto para avanços grandes quanto para altas velocidades de corte.
3.3 Fluido de Corte
As operações de usinagem aparecem como predominantes dentro dos atuais
processos de fabricação. Estas operações caracterizam-se pela retirada de material
excedente da peça em produção.
A função específica do fluido de corte solúvel no processo de usinagem é a
de proporcionar lubrificação e refrigeração que minimizem o calor produzido entre a
superfície da peça e a ferramenta, auxiliando também no escoamento do cavaco.
O emprego desses fluidos foi proposto inicialmente por Taylor, o qual tinha
previsto um aperfeiçoamento do processo. Hoje, este uso tem proporcionado um
grande auxilio na lubrificação da interface peça-ferramenta na zona de corte, sendo
ele o principal responsável pela função de reduzir o aporte térmico para a peça.
Diversos estudos comprovam um elevado grau de agressão química por parte
dos fluidos para o ambiente e o homem, demonstrando assim, a necessidade da
eliminação ou redução deste produto que, geralmente possui origem mineral. Além
disto, o crescente rigor das legislações ambientais para uma maior conservação
ecológica, dos usuários e empresas apontam para a necessidade de uma produção
cada vez mais limpa.
Ao se abrir mão do uso destes fluidos, seus efeitos positivos desaparecem,
dando origem a um aumento de temperatura, queda de rendimento de corte, perda
de precisão dimensional da geometria das peças, aumento do teor de particulados
na atmosfera, cavacos aquecidos com maior dificuldade de adquirir formato
adequado e variações no comportamento térmico.
Usinagem sem refrigeração começou a ser discutida quando as empresas
notaram que os custos de parada para troca e descarte do fluido de corte, podem
representar de 2 até 17% do custo total para se produzir uma peça.
Pesquisas sobre usinagem sem refrigeração vêm sendo realizados pelos
fabricantes de ferramentas, visando aperfeiçoar seus produtos, sendo o objetivo
24
principal eliminar a influência do fluido solúvel na usinagem, e concentrar-se apenas
no efeito da ferramenta sobre o material.
Para uma usinagem a seco é preciso levar em conta algumas variáveis como
o desenvolvimento de ferramentas com coberturas especiais, visando torná-las mais
resistentes ao calor gerado no processo. Também, emprego de materiais de fácil
usinagem e menor geração de calor, desenvolvimento de novos materiais com
composição que melhore a usinabilidade sem causar alterações dimensionais na
peça final.
Estudos mostram uma solução alternativa para a redução de fluidos de
refrigeração, o MQL (mínima quantidade de lubrificação), que consiste em uma
usinagem quase a seco em que uma quantidade mínima de fluido é direcionado ao
ponto onde esta sendo executada a usinagem.
3.4 Vantagens do Óleo vegetal
Além da atual consciência ambiental, hoje se reconhece que a natureza
oferece maior variedade de matérias-primas para fabricação de lubrificantes que a
indústria petroquímica. Estas variedades somadas aos novos métodos e processos
modernos de refino possibilitam a eliminação dos problemas dos óleos vegetais de
antiga tecnologia, como a resinificação, viscosidade aumentada e o desenvolvimento
da acidez.
O óleo de colza (canola) é bastante aceito como matéria prima à base de
éster natural (classe de álcool), sendo sua produção originada de plantas de baixo
custo de cultivo, e apresentando grandes variedades de tipos de óleos, com
propriedades bastante definidas. Como a planta é bem produtiva, seu óleo encontra-
se em abundância, através do cultivo controlado e do refino, sendo então possível
adaptar as propriedades dos óleos para atender a qualquer requisito técnico
individual.
Como vantagens ao uso de óleos vegetais, pode-se citar os proporcionados
para a saúde e segurança, pois entende-se que os óleos vegetais são mais
compatíveis com a pele humana em relação aos minerais. Os valores de dosagem
letal são muito maiores que o dos minerais. Além disso, funcionam bem para
25
melhorar a qualidade do ar e a limpeza do ambiente por terem uma reduzida
tendência a formar fumaça, neblina ou névoa, e também a redução das chances de
incêndio nas máquinas.
3.5 Lubricidade das Ferramentas com Óleos Vegetais
Existem variedades de compostos vegetais que apresentam comportamentos
polares quando transformados em compostos de fluidos. Nestas condições, os óleos
vegetais possibilitam uma lubrificação superior à dos minerais, pois, elas se
associam à superfície metálica das peças, formando uma camada lubrificante capaz
de suportar grandes tensões substanciais, facilitando a usinagem e prolongando a
vida útil da ferramenta, conforme exemplificado com a figura a seguir:
Figura 10 – Lubricidade de Ferramentas.
(Fonte: http://www.lmp.ufsc.br)
Quanto a questão de produção, os óleos vegetais são usados quando há o
interesse de aumentar a produtividade, pois sua alta lubricidade permite melhores
dados de corte sem sacrifícios das ferramentas e máquinas envolvidas na operação.
Mesmo com tantas vantagens dos óleos vegetais sobre os minerais, o fator
dela ser de origem ambiental pode ser esta a maior delas, pois este tipo de
substância pode ser descartado pela própria queima no momento da usinagem,
além de haver o fato de ser menos poluente por decorrência de sua fonte de origem.
26
3.6 Usinagem de Polímeros
O processamento mecânico de polímeros tornou-se uma importante atividade
industrial, principalmente para a manufatura e confecção de peças e componentes.
Por outro lado, os polímeros de interesse para a engenharia apresentam
comportamentos mecânicos diferentes dos encontrados nos materiais metálicos e
cerâmicos.
Os polímeros apresentam comportamento termo-visco-elasto-plástico, numa
faixa de temperatura ou em outra, comportando-se como um líquido não-
newtoniano.
A natureza não-newtoniana dos polímeros também contribui para dificuldades
de simulações computacionais. Estas dificuldades experimentais são crescentes, por
existirem muitas e novas combinações poliméricas, como puras1, blendas2, ligas e
compósitos3.
A reciclagem dos polímeros é um aspecto importante, que pode ser realizada
ou não, por processamento mecânico. Para isto torna-se necessário um estudo de
análise, já que os polímeros podem ser termoplásticos, termorrígidos ou
elastômeros, conforme sua classificação mecânica.
3.7 Conceitos Fundamentais dos Polímeros
Polímero é um material orgânico ou não, formado por grandes moléculas com
alta massa molecular, denominadas de macromoléculas. Sua origem pode ser
natural ou sintética. Ainda assim, ocorre também a existência de polímeros de baixo
massa molecular, que são chamados de oligômeros.
A palavra polímero vem do grego, significando Poli (muitas) e Meros (partes,
unidades de repetição), tendo sido usada pela primeira vez por Berzelius em 1832.
Por definição, os polímeros são constituídos por macromoléculas gigantescas que
geralmente apresentam considerável massa molecular em relação a outras
moléculas. 1 Polímeros do tipo elastômeros (segundo classificação mecânica dos polímeros).
2 Misturas Heterogêneas, geralmente imiscíveis que tendem a formar fases.
3 Material cuja composição é feita por dois ou mais materiais diferentes. Ex.: Polímeros e metais, polímeros e cerâmicas.
27
Os polímeros são materiais formados por monômeros, que por sua vez, são
moléculas simples que possuem duplas ligações reativas, também chamadas de
bifuncional. Isto significa que uma substância que possua apenas um ponto de
crescimento, ou seja, apenas uma cadeia reativa não é capaz de gerar um polímero.
Seguindo este conceito, percebe-se que poderão ocorrer ligações cruzadas gerando
uma estrutura reticulada para moléculas que apresentem mais de três ligações
reativas.
O número de meros indica o grau de polimerização, que é justamente
composto pela quantidade de repetições na cadeia polimérica. Com isto, há o
processo de polimerização, que é o conjunto de reações químicas que provocam a
união de pequenas outras moléculas, formado por ligações covalentes, gerando
então, as cadeias macromoleculares. Esta reação pode ser gerada por poliadição,
policondensação ou em cadeia, podendo ser induzida por calor ou reagente, ou
mesmo ser espontânea, apresentando-se como ramificadas ou não como mostra a
figura a seguir:
Figura 11 - Cadeia de Polimerização do Polietileno. (fonte: http://carlosedison.blogspot.com/2009/09/polimerizacao-por-adicao-de-cadeia.html)
Ao analisar a estrutura molecular dos polímeros, podem-se identificar diversas
forças atuando sobre este sistema como pontes de hidrogênio, interações dipolo-
dipolo e as forças de Van Der Walls, principalmente quando estão em seus estados
sólidos. Esta estrutura, quando em estado líquido, apresenta-se modificada,
segundo descrito por Mano (1985, pag. 1) “em solução, essas interações entre
moléculas de alta massa molecular acarretam um pronunciado aumento da
viscosidade”. No caso de substâncias sólidas são geradas em cristais ou em pó.
No momento da polimerização, no crescimento da cadeia formadora dos
polímeros, podem ocorrer formações de variados tipos, podendo ser eles
ramificados ou não, admitindo desenho de zigue-zague no caso de polímeros
lineares. Segundo Mano (1985, pag. 8) “o grau de complexidade pode ir até o
28
extremo da formação de retículos, resultando então no que se denomina polímero
reticulado”. Com isto a autora demonstra que, além da variedade obtida pelo
processo por decorrência do número de cruzamentos ocorridos na polimerização,
suas ramificações podem gerar um reticulado na matéria criada, de forma a inibir o
processo de deslizamento das cadeias. A seguir, exemplos de cadeias poliméricas:
Figura 12 - Polímero com Cadeia sem Ramificações.
(fonte: http://www.brasilescola.com/quimica/classificacao-dos-polimeros-sinteticos.htm)
Figura 13 - Polímero com Cadeias Ramificadas.
(fonte: http://www.nossofuturoroubado.com.br/arquivos/abril_09/aula_plastico1.html)
Figura 14 – Polímero com Cadeia Reticulada ou com Ligações Cruzadas.
(fonte: http://www.nossofuturoroubado.com.br/arquivos/abril_09/aula_plastico1.html)
A depender da forma como se apresente a cadeia de um polímero, o mesmo
oferece propriedades diferenciadas e de imediato a sua fusibilidade e solubilidade
serão alteradas. Percebe-se que as ramificações laterais exercem uma dificuldade
da proximidade das cadeias do polímero, gerando assim uma diminuição de suas
interações moleculares, que por sua vez alteram principalmente suas propriedades
mecânicas, ocorrendo então o que se denomina como uma “plastificação” interna do
polímero. Nestes materiais que apresentam cadeia cruzada, onde há existência do
29
retículo, geralmente ocorre um atrelamento da cadeia, gerando no material um
aumento de resistência mecânica, resultando numa infusibilidade e solubilidade.
3.8 Breve Conceito Atômico
O conceito atômico é fundamental para o entendimento do comportamento
dos polímeros, pois, os tipos de ligações presentes na cadeia polimérica
determinarão o comportamento que o mesmo irá apresentar no processo de
usinagem.
Devido ao atrito existente aos corpos quando estão em contato um ao outro
em movimento, o aquecimento é um dos fatores resultantes ao processo de
usinagem. Por outro lado, o fenômeno térmico é um requisito de grande
sensibilidade aos materiais poliméricos, apresentando então, uma necessidade de
acompanhamento.
Sendo assim, Baseando-se no modelo atômico de Rutherford de 1904, o
átomo é composto por um núcleo diminuto e positivo, contendo quase toda a massa
atômica. Rodeando este núcleo, encontra-se uma grande região extra nuclear,
composto também por espaço vazio, onde estão contidos os elétrons.
Este modelo foi uma progressão de duas outras principais tentativas de
explicação atômica. A primeira, por John Dalton em 1803 que pregava
principalmente que toda a matéria era composta de partículas fundamentais,
indivisíveis e indestrutíveis. Este modelo até explicou a lei da conservação da massa
de Lavoisier, mas apresentou algumas lacunas teóricas não respondidas, como a
distinção entre átomo e molécula, mas ainda assim, deixou a idéia a outros
pesquisadores, como dito por Russel, John B. (1994, pag. 207) “Sua contribuição
para o entendimento químico foi de grande valor (...) mas também forneceu estimulo
ao mundo cientifico para começar a pensar seriamente sobre a existência dos
átomos”.
Segundo Brady, James E. (1986, pag. 66) “a teoria atômica de Dalton
representou uma grande revolução no desenvolvimento da Química”.
Para tentar explicar do que os átomos eram constituídos, surgiu então o
modelo de Thomson. Ele sugeriu a existência de uma esfera carregada
30
positivamente, na qual haveria elétrons incrustados ao redor do núcleo de esfera
positiva; Este modelo seria também conhecido como “pudim de passas”. Através
disto, analisa-se que é o inicio da idéia de que existiria a possibilidade da retirada
dos elétrons do átomo.
Mais tarde, o próprio Rutherford demonstrou a existência dos prótons, como
tendo carga oposta aos elétrons (carga positiva). Conforme dito por Russel (1994,
pag. 217), “Rutherford concluiu que, embora os prótons contivessem toda a carga do
núcleo, eles sozinhos não poderiam compor a sua massa”. Surgiu então, através de
pesquisas feitas por J. Chadwick em 1932, o conceito de nêutron.
Houve também contribuições importantes sobre órbitas e níveis de valência
dos elétrons criada por Bohr. Por fim, podemos descrever o átomo como sendo um
núcleo diminuto, positivo, e que contém a maior parte da massa atômica. Este
núcleo é rodeado de elétrons de carga negativa (-1). Por sua vez, o núcleo seria
constituído de prótons e nêutrons, sendo o primeiro de carga positiva (+1) e o
segundo sendo neutro, ou seja, sem carga. Segundo descrito por Russel (1994, pag.
218) “O átomo como um todo não tem carga devido ao número de prótons ser igual
ao numero de elétrons. A soma das massas dos elétrons em um átomo é
praticamente desprezível em comparação com a massa dos prótons e nêutrons”. A
seguir, uma ilustração do átomo:
Figura 15 – Representação do Átomo no Modelo Rutherford-Bohr. (fonte: http://quimicacoma2108.blogspot.com/2010/03/introducao-quimica-teoria-
atomica.html)
3.9 Forças Moleculares Atuantes nos Polímeros
A cadeia polimérica é uma macromolécula constituída por inúmeras unidades
de repetição denominado de meros. Por sua vez, elas estão conectadas por ligações
31
primárias fortes chamadas de “intramoleculares”, por se tratar de ligações dentro de
uma mesma molécula, geralmente sendo do tipo covalente. Ainda assim, existem
também as forças secundárias, que atuam na atração do seguimento das cadeias,
estas mais fracas, denominadas como forças intermoleculares.
Devido às ligações existentes nos polímeros elas são classificadas em
primárias ou secundárias. A primeira é formada por ligações mais fortes, podendo
ser elas do tipo: Iônica, Coordenada, Metálica ou Covalente.
Conforme dito por Russel (1994, pag. 342) “na ligação iônica as forças
eletrostáticas atraem os íons de cargas opostas”. Sendo assim, esta ligação ocorre
geralmente com átomos de diferentes eletronegatividades, onde existe transferência
de elétrons entre átomos, produzindo assim os íons, com isto, ocasionando uma
atração mútua e forte, expressando pela força entre 150 e 300 kcal/mol. Tipo de
ligação ilustrado na figura a seguir:
Figura 16 – Ligação Atômica do Tipo Iônica.
(fonte: http://www.scielo.br/scielo.php)
Como dito, existe um tipo de ligação chamada de Coordenada, que é quando
um átomo contribui com um par de elétrons para a existência da ligação, este tipo de
ligação geralmente ocorre em polímeros inorgânicos ou semi-orgânicos.
Figura 17 – Ligação Atômica do Tipo Coordenada.
(fonte: http://icc.ucv.cl/materiales_construccion)
A Ligação Metálica ocorre com átomos de baixa eletronegatividade, onde os
elétrons de valência estão divididos entre os átomos, estando assim, livres para
transitar sem estar ligado a nenhum átomo em particular. Esta ligação é mais fraca
32
que a iônica e a covalente, mas ainda assim é considerada forte como foi afirmado
por Van Vlack (1970, pag. 36) “ao lado das ligações iônicas e covalentes, um
terceiro tipo de força interatômica forte, a ligação metálica, é capaz de manter
átomos unidos”, estando com magnitude entre 20 e 200 kcal/mol. Exemplo de
ligação mostrado a seguir:
Figura 18 – Ligação Atômica do Tipo Metálica.
(fonte: http://cieac106.blogspot.com/)
A ligação covalente é uma conexão forte ocorrida entre átomos de alta
eletronegatividade formando ângulos definidos. Este tipo de ligação é comum a
compostos orgânicos e apresenta força entre 125 e 300 kcal/mol. Segundo Russel
(1994, pag. 355) “ligação covalente ocorre quando os dois átomos têm a mesma
tendência de ganhar elétrons”, desta forma não ocorrendo transferência dos
elétrons. Exemplo de ligação mostrado a seguir:
Figura 19 – Ligação Atômica do Tipo Covalente.
(fonte: http://aldieres.wordpress.com/2008/05/04/monomeros-e-polimeros)
Em polímeros, há a existência de forças secundárias que também são
chamadas de Forças Intermoleculares. Conceituadas como forças mais fracas que
atuam no segmento da cadeia, apresentando-se como Força de Van der Waals, que
33
pode se classificar como uma interação dipolo-dipolo, como forças de dispersão ou
até ligações de hidrogênio.
As ligações de hidrogênio são forças fracas, que atuam a longas distâncias
envolvendo baixas energias. As forças de dispersão surgem de flutuações
momentâneas ocasionadas por moléculas apolares, podendo induzir uma
polarização instantânea na molécula. Este fenômeno traduz a atração entre
moléculas de poliolefinas, já os dipolos, são formados por elementos de sinais
opostos que se aproximam uns aos outros.
3.10 Tipos de Cadeias Poliméricas
As propriedades físicas de um polímero estão intrinsecamente associadas a
sua estrutura molecular. A forma da molécula de um polímero pode se apresentar
conforme os seguintes tipos: Linear, Ramificadas ou de Ligações Cruzadas.
Cadeia de Ligação Linear é originada de um monômero bifuncional, onde as
unidades de meros são unidas de uma ponta a outra. Geralmente estas longas
cadeias são comparadas com massa de espaguete, podendo existir varias ligações
de Van der Waals nesta estrutura. A imagem a seguir, demonstra uma cadeia linear
deste tipo de polímero.
Figura 20 – Cadeia Polimérica Linear. (fonte: http://www.brasilescola.com/quimica/classificacao-dos-polimeros-sinteticos.htm)
Cadeias Ramificadas são aquelas que apresentam ramificações que partem
do seu segmento principal, constituídas pelas mesmas repetições que formam a
estrutura principal. Suas ramificações geralmente são criadas por moléculas
bifuncionais, que se desenvolvem por ligações laterais. Percebe-se que as
34
ramificações diminuem o efeito de compactação do material, o que resulta numa
queda na taxa de densidade deste polímero. A imagem a seguir, mostra um exemplo
de cadeia ramificada:
Figura 21 – Cadeia Polimérica Ramificada. (fonte: http://www.brasilescola.com/quimica/classificacao-dos-polimeros-sinteticos.htm)
Polímeros de Ligações Cruzadas são aquelas formadas por segmentos de
cadeias ligadas entre si. É o tipo mais complexo de cadeia e pode ser constituído de
segmentos individuais. A imagem a seguir mostra um exemplo deste tipo de cadeia.
Figura 22 – Cadeia Polimérica com Ligações Cruzadas.
(fonte: http://www.brasilescola.com/quimica/classificacao-dos-polimeros-sinteticos.htm)
Devido às propriedades físicas da cadeia polimérica, observam-se
características importantes, como por exemplo, o polietileno (PE). Existe o polietileno
de alta densidade (PEAD), que possui um maior empacotamento linear de sua
cadeia, por conseqüência apresentando uma grande cristalinidade. Existe também o
polietileno de baixa densidade (PEBD), que por sua vez apresenta grande
quantidade de ramificações, fato que, além de reduzir sua densidade, também
impacta em seu baixo empacotamento, apresentando então, uma diminuição de sua
cristalinidade.
35
3.11 Classificação dos Polímeros Quanto ao Comportamento Mecânico
Os polímeros são classificados em plásticos, elastômeros e fibras. Os
plásticos são polímeros sólidos em temperatura ambiente e podem ser subdivididos
em dois grupos: Termoplásticos, Termorrígidos.
Termoplásticos são polímeros sensíveis a efeito de temperatura e pressão,
sofrendo amolecimento e até o escoamento, podendo assim, ser facilmente
conformado nesta situação. A remoção deste fator ativo retorna o material ao seu
estado sólido, podendo ser remodelado novamente. Exemplo deste tipo de material
é o polietileno, o polimetilmetacrilato entre outros.
Já os Termorrígidos são polímeros que, sujeitos a aplicação de temperatura e
pressão, também amolecem e fluem. A diferença é que este material reage
quimicamente, formando então, ligações primárias. Após se solidificar, este material
se torna insolúvel, infusível e não pode mais ser reciclável.
Como polímero do tipo Elastômeros, exemplifica-se a borracha vulcanizada.
Este tipo de material caracteriza-se por ser flexível, pois tem a capacidade de se
deformar até mais que duas vezes o seu comprimento, retornando ao seu tamanho
inicial logo após a remoção da força modificadora. Geralmente este material
apresenta cadeias de baixa densidade e boa resistência.
As Fibras são materiais de cadeia unidirecional. Isto significa que apresentam
uma elevada resistência mecânica, podendo ser usados na formação de fios. Como
exemplos, apresentam-se os Nylons, poliésteres entre outros.
3.12 Propriedades Sobre a Usinagem de Polímeros
Assim como nos processos em peças metálicas, a usinagem de plásticos
utiliza refrigerantes de ar ou água para evitar o excessivo aquecimento das peças
que são operadas, mostrando que fluidos como óleos e derivados do petróleo
devem ser evitados para esse emprego. É importante esclarecer que os materiais
plásticos possuem baixa condutividade térmica e, por isso, é conveniente realizar
um resfriamento da ferramenta para melhorar o acabamento e evitar tensões
internas que podem gerar deformações ou até rompimento da peça.
36
Quanto a ferramenta a se usar, verifica-se que, a qualidade do corte e o
desprendimento do cavaco durante a usinagem é mais importante que a natureza do
metal da ferramenta, pois, devido a propriedade do cavaco nos materiais
poliméricos, observa-se que, um mal gerenciamento deste processo pode gerar uma
ineficiência a usinagem na peça.
Devido ao fato de a absorção de umidade e dilatação térmica ser superior à
dos metais, é importante que, no momento da usinagem, se leve em consideração a
variação dimensional, pelo fato de que, após o seu resfriamento, a peça terá
dimensões inferiores às trabalhadas no momento da usinagem.
Os plásticos, quando expostos a variações de temperatura, umidade e
pressões podem sofrer variações no seu formato e dimensão. Os produtos em sua
armazenagem devem ficar na posição horizontal, mantidos planos e com apoios em
toda a sua extensão. Aconselha-se também a não manter pesos em apenas uma
parte do produto, para evitar deformações indesejadas (empenamento).
No processo de fresamento, é melhor usar de ferramentas com 4 canais e
ângulo de ataque de 5°, e ângulo de saída do cavaco variando de 20° a 25°. Deve-
se empregar velocidade de rotação entre 100 e 500 RPM e de avanço entre 0,1 e
0,5 mm/min. Machos concêntricos de aço rápido e ângulo de ataque de 10° a 15°
permitem um melhor rosqueamento. Para orifícios de até 3 mm, devem-se usar
machos com 2 canais, enquanto para furos maiores, os de 4 canais proporcionam
melhor resultado.
Para o torneamento utilizam-se ferramentas de aço rápido, com ângulo entre
15° a 20°. O ângulo utilizado deve ser menor, no caso em que a ferramenta do
material seja confeccionada por pastilhas de carbono.
Deve-se utilizar somente o macho no processo de acabamento, deixando
espaçamento com muito ângulo. Para aumento da resistência mecânica, aconselha-
se a utilização de sistemas de insertos de rocas tipo “heli-coil”.
Os refrigerantes de corte não são indispensáveis, porém são aconselháveis,
principalmente em usinagens delicadas e processos de furação.
37
O comportamento dos polímeros frente à aplicação de solventes segue a
lógica da explicação das suas ligações químicas. Nos termoplásticos, quando há
interações entre as moléculas do solvente com a do polímero, ocorre a quebra das
ligações químicas e o surgimento de uma mais forte (continua sendo do tipo de Van
Der Waals) formando o solvente-polímero. Portanto, com a redução dos graus de
ligações dos polímeros e havendo uma maior mobilidade entre as cadeias, ocorre
então, a desintegração e solubilização do material.
No caso dos termorrígidos as ligações entre cadeias são primárias e de alta
energia, não sendo então passíveis ao solvente, de onde se conclui que polímeros
termorrígidos são insolúveis aos solventes. A aplicação de fluidos quimicamente
compatíveis com os termorrígidos leva ao inchaço do material, já que os fluidos se
inserem entre suas cadeias, sendo este inchaço proporcional à afinidade do fluido e
ao retículo do polímero. Portanto, polímeros com alta densidade de ligações
cruzadas apresentam menor intensidade de inchamento.
3.13 Usinagem de Madeira
A usinagem de madeira é um importante processo fabril em que se
confeccionam as principais peças decorativas de ambientes domésticos e de
escritórios. Isto é devido a algumas de suas propriedades físicas, que faz com que
móveis deste tipo de material não sofram fenômenos ocorridos em outros tipos de
materiais, como exemplo, a corrosão para os metais. No entanto, a variedade de
tipos de madeira é bastante grande, gerando um maior estudo para o uso deste
material. Segundo Lucas Filho (2004, pag. 149) “a baixa eficiência produtiva na
usinagem de madeiras está relacionada, principalmente, ao desconhecimento dos
fenômenos envolvidos na usinagem”.
3.14 Avaliação Econômica da Usinagem de Madeira
Maritzel Rios (2004, pag. 52), O mercado mundial de móveis foi consolidado
nos anos de 1970, alavancado inicialmente na Europa pela Itália. No entanto, o seu
processo teve grande avanço na década seguinte, quando a usinagem sofreu
grandes modificações com a implantação da automatização no seu processo, fato
que gerou grande avanço nas técnicas, aumento da produtividade e possibilidade de
manipulações de novos materiais para usinagem.
38
Com a inserção da automação no processo de usinagem, o mercado mundial
de móveis ganhou grande impulso. No ano de 2000, o volume de vendas foi
aproximadamente de US$ 57 bilhões, tendo como maiores exportadores a Itália,
Estados Unidos, Alemanha, Canadá e França, segundo Rios (2004, pag. 52).
No Brasil, o setor iniciou sua modernização na década de 70, mas teve seus
cortes de investimentos na década posterior, sofrendo assim, uma retração de
investimento devido ao recuo econômico vivido pelo país. Com isto, o Brasil passou
a ficar desatualizado quanto ao cenário mundial da época, em que já começava a
implantação da microeletrônica como elemento revolucionário neste segmento. “Na
época, o Brasil esteve praticamente no seu limite de endividamento externo, assim,
não mais podendo financiar projetos desenvolvimentistas” Neto Frota (1980, pag. 7).
O país passou a apresentar um considerável crescimento neste ramo a partir
da década de 90, onde ocorreu um investimento no setor, trazendo máquinas e
equipamentos importados, fator que ocasionou diretamente uma maior escala de
produção e padronização de seus produtos no âmbito internacional. Conforme
demonstrado por Rios (2004, p. 52) “as exportações passaram de US$ 44 milhões,
no ano de 1990, para US$ 487 milhões em 2000, o que implicou um aumento da
participação das exportações brasileiras de móveis de 0,1% para 0,9%
respectivamente”.
Este avanço nacional pode ser notado pela afirmação de Bonduelle (1997)
apud Lucas Filho (2004, p. 33): “a competitividade de empresas madeireiras está
intimamente relacionada com a qualidade dos produtos e com a eficiência dos
processos”. Isto mostra que o fato de se manter uma tecnologia industrial mais
moderna é o principal requisito para se obter um melhor e mais competitivo
desempenho do processo da usinagem de madeira.
A participação da indústria brasileira no cenário mundial ainda não é muito
grande. Isto se apresenta por decorrência de algumas fragilidades oriundas deste
setor. Estes fatores contribuem para um baixo desempenho nacional nas
exportações deste segmento, justificadas como sendo “fatores básicos: tecnologia
defasada, excessiva verticalização, baixa cooperação entre as empresas, ausência
de design próprio, estruturas organizacionais acanhadas e mão-de-obra
39
desqualificada” (Coutinho (1999) apud Lucas Filho (2004, p.33)). É de entender que
o caminho do país para o desenvolvimento deste setor será através de investimento
para diminuição destes principais fatores que detêm o desenvolvimento industrial da
usinagem de madeira.
A distribuição dos móveis comercializados no país, cerca de 80% são feitos
de madeira, e são divididos em residenciais, escritórios e equipamentos. Os móveis
residenciais são os mais importantes, consumindo a maior parte da mão-de-obra da
empresa, dividindo-se em três tipos: móveis retilíneos seriados, móveis torneados
seriados e móveis sob medida. Os móveis sob medida, como o nome sugere, são
feitos por pequenas empresas que trabalham com peças personalizadas. Os
retilíneos seriados são feitos por aglomerados, geralmente, sem detalhes complexos
de acabamentos e de faces lisas, e os torneados, são mesclados em conjuntos entre
aglomerados e madeira maciça, sendo peças mais sofisticadas.
Ainda assim, empresas que são líderes do mercado nacional buscam cada
vez mais a sua modernização através de inserção de ferramentas auxiliadas com o
controle numérico (CNC), os controladores lógico-programáveis (PLC), programas
de projetos como o CAD (Computer Aided Design) e a manufatura assistida CAM
(Computer Aided Manufacturing). A tecnologia é um fator primordial para a
competitividade no setor moveleiro, mas não o único, pois como afirmam Coutinho e
Ferraz (1997, p. 6), “o conhecimento macroeconômico do segmento é fundamental,
pois a influência da competitividade está no setor em que o mesmo se atua”.
3.15 Tipo de Matéria-Prima de Madeira
O Brasil possui grande diversidade de tipos de madeira e para a usinagem
elas são separadas em grupos, conforme explicado nos próximos itens.
A madeira serrada é o grande grupo de variedade, como o cedro, ipê,
cerejeira, mogno, angelim, virola, sucupira, araucária, jatobá, carvalho, andiroba,
imbuia e louro.
Existe também a madeira compensada, que é um subgrupo oriundo dos
painéis de madeiras, material constituído por laminas de madeiras, unidas através
40
de adesivos compostos por uréia e formol, gerando assim, uma maior resistência
física e mecânica no material.
Chapas Aglomeradas são compostas por partículas reduzidas de madeira,
adicionada com resinas sintéticas formando um colchão. Quando manipulada por
variáveis como calor, pressão e umidade, estes materiais adquirem uma forma
definitiva, podendo ser revestidos externamente por outros materiais como papéis
envernizáveis.
Existem as Chapas de Fibras Comprimidas, que é considerada uma das
melhores matérias-primas. suas propriedades permitem um melhor acabamento e
menores desgastes por parte da ferramenta do processo.
3.16 Processo de Manufatura
Muitos estudos são conduzidos para a usinagem de madeira. Algum deles
relacionam a geometria com o material da ferramenta; outros, as condições de corte
com propriedades da madeira. Estes estudos fazem uma coleta de informações
buscando uma melhor fundamentação teórica de aperfeiçoamento do processo. No
entanto, eles não estabelecem valores de referência para que se orientem as
variáveis envolvidas na usinagem de madeira entre os limites de controle do
processo. Há outras pesquisas voltadas aos processos básicos da usinagem de
madeira e seus avanços, como a interação entre o material da ferramenta e a peça.
Dependendo das características da ferramenta, podem ocorrer diversas
variações, tais como mudanças em sua vida útil, produtividade e qualidade da peça
usinada. A característica básica para a usinagem de madeira está na angulação da
ferramenta e a peça usinada, além de que, deve-se considerar a espécie da madeira
a ser trabalhada, pois existe muitas vezes uma ausência de informações sobre a
relação entre o tipo da madeira e o desgaste da ferramenta.
O tipo de corte a ser feito está diretamente relacionado à angulação a ser
aplicada, devendo estar compatível com o tipo de madeira a ser trabalhada. A
obtenção dessas informações facilita a produção de ferramentas adequadas para
cada necessidade, assim orientando ao alcance de um melhor desenvolvimento e
41
uso de cada ferramenta para usinagem de um determinado tipo de espécie de
madeira.
Os principais ângulos para definição de uma geometria da ferramenta são os
ângulos de saída e o de folga. Com isto, nota-se a importância de estudos neste
assunto, pois a geometria das ferramentas possui uma grande influência sobre o
acabamento da superfície da peça usinada, refletindo também, na vida útil da
ferramenta.
O estudo das relações entre a qualidade da superfície da madeira usinada e
as condições de corte é também muito importante para a melhoria do processo.
Desta maneira, alguns métodos aplicados na usinagem de metais também podem
ser aplicados na usinagem de madeira. A qualidade da superfície usinada é um fator
importante no monitoramento e controle dos processos de usinagem.
Tanto na usinagem de metais como na de madeiras, pesquisas mostram que,
para a quantificação da qualidade da superfície usinada, se utilizam parâmetros
como a profundidade média de rugosidade que representa os desvios medidos nos
perfis da superfície. Esses parâmetros são determinados por apalpador (método
com contato) e a triangulação por laser (sem contato) produzindo imagens 3D.
A análise do cavaco também pode servir como teste de qualidade da
superfície do material. Neste método os tipos de falhas na produção do cavaco
estão relacionados às condições de corte, geometria das ferramentas, potência de
corte e propriedades da madeira.
Mesmo com diversidade de tecnologia, no Brasil a técnica utilizada para
avaliação da qualidade da superfície, ainda é feita com base na norma ASTM
D1666. Esta norma é bastante subjetiva, pois baseia-se na análise qualitativa e na
experiência do analista da qualidade. Assim, considera-se um ambiente de
laboratório, pois no ambiente fabril a avaliação é feita visualmente e no tato,
comprometendo ainda mais a situação. Ainda sobre a qualidade, no Brasil existem
algumas empresas que se destacam por adotar o sistema de qualidade total,
situação em que examinam as peças ao fim de cada processo, reduzindo assim, os
estoques intermediários.
42
3.17 Tecnologia de Usinagem Madeireira
Os processos de usinagem de madeira, assim como de outros materiais,
podem utilizar diversas técnicas como serramento, fresamento e furação,
diferenciando-se de acordo as necessidades de sua modelagem. Assim, empresas
do segmento costumam apresentar processos como secagem, acabamento,
montagem, embalagem, além da própria usinagem inclusas no seu parque industrial.
Em alguns casos, percebe-se que algumas delas apresentam seu próprio plantio de
pinus, estas geralmente são empresas voltadas para exportações.
Dos defeitos mais freqüentes na usinagem de madeira, existe a presença de
“ferpas” em sua face, também conhecido como “arrepiamento” da superfície. Para
reduzir a freqüência deste fenômeno é necessário aumentar os ângulos de saída e
verificar o grau de arredondamento do gume, observando para que não ultrapasse o
limite de desgaste e mantenha o “fio” de corte. As operações que apresentam a
maior freqüência em avarias nas ferramentas são o aplainamento, o corte
longitudinal (serramento) e o fresamento de perfil.
A principal avaria nas operações de usinagem se relaciona com a quebra ou
lascamento do gume, devido à utilização de geometrias e condições de corte
impróprias para as diferentes espécies de madeira. O tempo de vida útil de uma
ferramenta deste processo é avaliado em até quando não houver a perda da
qualidade, precisão de corte e o raio do seu gume.
Diretamente relacionada ao tempo de ciclo de uma operação está a
velocidade de corte, cujo aumento ou redução vai influenciar no tempo de operação
da máquina para usinar a peça.
As fábricas voltadas a móveis retilíneos geralmente são as mais
especializadas em sua linha, produzindo móveis com menores complexidades,
restringindo apenas etapas como corte de painéis, usinagem, acabamento e
montagem. Por sua menor complexidade no processo muitas vezes a tarefa da
montagem vai sendo transferida para o setor comercial, diminuindo processos e
gerando vantagens para a indústria.
43
Devido à logística de transporte da matéria-prima, que geralmente percorre
longos trajetos por estradas, muitas vezes em condições não muito boas pelo
território nacional, surgem freqüentemente defeitos comuns, como empenamento,
surgimento de mofo, alteração da cor do material e rachaduras. Com isto, devido à
extensão do território nacional, oferecendo mudanças regionais, quanto a mudanças
térmicas, percebe-se que a sensibilidade das variações do ambiente, como a
temperatura e umidade do ar, ocasionam avarias no material a caminho da fábrica.
Antes do processo de usinagem, a madeira sofre o que se chama de
secagem, feita através de estufas grandes, onde são controladas as variáveis de
temperatura e umidade. Ainda assim, o processo de secagem da madeira também
pode ser feito ao ar livre pela evaporação natural através de sua porosidade
superficial.
Na fase de corte, seja da madeira ou de seus painéis. É quando o material é
cortado e dimensionado para o uso conforme a usinagem a ser aplicada no
acabamento.
Na seqüência, apresenta-se a etapa de usinagem e torneamento, fase onde
os contornos, ranhuras e detalhes são processados. Esta é a fase em que mais se
realizam aplicações de pesquisa, a fim de aperfeiçoar as técnicas para obter uma
otimização do processo.
A montagem vem como fase final do produto usinado, como já citado.
Geralmente este processo fica direcionado ao setor comercial. Há uma tendência de
que, algumas empresas já comecem a repassar esta montagem para o consumidor
final, isto para alguns produtos de montagens fáceis.
Um fato interessante neste processo é que algumas das empresas deste
ramo foram construídas por famílias de imigrantes que inicialmente conservavam
seus modos tradicionais de produção. Ao longo do tempo elas optaram por se
modernizar para se manter no mercado. Algumas empresas adotam o sistema de
estoque nulo, conseguindo isto através da modificação de seu layout e a
implementação de técnicas modernas como o Just-in-time.
44
3.18 Efeitos considerados na Usinagem Madeireira.
Alguns efeitos são considerados na usinagem de madeira, basicamente,
estes efeitos são relacionados a ferramenta e ao tipo de madeira a ser trabalhada.
Principalmente que na usinagem de madeira, o desgaste da ferramenta cresce
proporcional ao aumento do diâmetro do cabeçote.
Assim, considera-se o numero de gumes da ferramenta, pois esta informação
ajuda no controle dos processos com a escolha da melhor velocidade de avanço no
processo de corte.
Considera-se também a profundidade do corte, pois quanto maior seja esta
profundidade, maior será o desgaste da ferramenta. Além deste desgaste excessivo,
existe também a diminuição da qualidade com o aprofundamento do corte apesar do
aumento da produtividade.
O desgaste da ferramenta também se apresenta maior com o aumento da
velocidade de corte; por outro lado percebe-se menor rejeição da peça e maior
velocidade de processamento.
A variação de densidade da madeira é algo bastante significativo para este
processo, pois o desgaste da ferramenta em madeira de baixa densidade é
praticamente a metade do desgaste da usinagem de madeiras com alta e média
densidade.
A madeira é um composto orgânico, por isso, devido a sua grande
diversidade esta varia de acordo a cada tipo de espécie. Com isto, existe um
importante efeito chamado de Dureza Janka, que é o fenômeno regido pela
resistência que a madeira exerce à penetração da ferramenta de usinagem, Esta
variável é medida em quilograma força (kgf). A seguir, uma ilustração da relação de
Dureza Janka por tipo de madeira.
45
Figura 23 – Representação da Dureza Janka por espécie de madeira.
(fonte: http://www.remade.com.br)
A madeira sofre variações volumétricas quando exposta a efeitos da umidade,
apresentando então, modificações no seu volume. A seguir, uma figura ilustra a
relação da contração volumétrica de acordo com os tipos de madeira.
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Figura 24 – Representação da Contração Volumétrica da Madeira. (fonte: http://www.remade.com.br)
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4 METODOLOGIA DE PESQUISA
A monografia será desenvolvida através de pesquisa relacionada ao processo
em questão, fazendo um levantamento bibliográfico a estudos já existentes sobre o
assunto e obtendo auxilio de pesquisadores da área.
Os procedimentos de coleta iniciaram pela aplicação das normas e sobre o
conhecimento de livros específicos sobre o assunto. Será feita utilização de
publicações acadêmicas, pesquisas na área em livros e sites confiáveis, também
utilização de apoio com profissionais atuantes na área e do orientador da pesquisa.
A organização do trabalho será através do estudo bibliográfico, onde serão
feitos fechamentos de resumos e anotações para que sejam gerados textos,
análises e conclusões de resultados ao assunto.
4.1 Problema
Como aperfeiçoar e aumentar a competitividade do processo de usinagem de
materiais não metálico no país?
4.2 Objetivo
Encontrar fatores que proporcionam a baixa competitividade de usinagem do
país. Proporcionar análises que desenvolva maneiras de aperfeiçoar o processo de
usinagem de madeira e polímeros, também indicar efeitos e restrições de materiais
provenientes a usinagem.
4.3 Hipótese
Existe uma forma de melhorar o processo de usinagem através de pesquisas
e estudos aos processos. O fator do tempo de corte é algo imprescindível para o
processo de usinagem, a busca por menor tempo de corte é um diferencial
importantíssimo que as empresas buscam para aumentar sua competitividade.
4.4 Metodologia
A metodologia usada para este trabalho será a fundamentação e
desenvolvimento pela pesquisa bibliográfica.
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5 CONSIDERAÇÕES FINAIS DA PESQUISA
Analisando a usinagem em um ponto onde a ferramenta passa a tocar a peça
pode-se perceber que a ferramenta e a parte inferior do cavaco são onde se
encontra a maior magnitude de temperatura, apresentando aumentos súbitos desta.
Fazendo um aprofundamento no processo de usinagem percebe-se que, o
trabalho mecânico realizado nesse processo é parcialmente transformado em
energia térmica. Devido ao atrito gerado entre os corpos, vindo do contato entre a
mesma, origina-se a temperatura suficiente, que se propaga entre a ferramenta e a
parte inferior do cavaco, gerando assim, pontos de maior aquecimento. Desta forma,
este aquecimento é suficiente para gerar o cisalhamento no material, expulsando
assim, um pedaço da peça.
Partindo do conceito de um ponto focado de maior aquecimento no momento
da usinagem analisa-se que, o fluido de corte, tendo uma atuação exata neste
ponto, demonstrará uma maior eficiência de seu efeito refrigerador.
Sobre fluidos de corte, analisa-se que o uso de fluidos alternativos faz a
ligação entre economia e ecologia, que além de impactar na redução de custos e
aumento da produtividade, também gera benefícios ao homem e à natureza,
construindo assim, um dos principais papéis do engenheiro de produção, que é
justamente eliminar ou reduzir ao máximo os resíduos de um processo.
O atrito é uma força resultante do contato entre a ferramenta e a peça
usinada. Esta não é a única força existente, pois há outras. Existem duas principais
forças neste processo: a força normal entre a ferramenta e a peça e a de
cisalhamento, que atua na expulsão do cavaco da peça. Sendo assim, há analise
que se chega é que, uma pesquisa adequada para a utilização de uma ferramenta,
de acordo com o tipo de peça a ser usinada, trará uma maior produtividade para a
empresa, pois evitará principalmente o efeito de vibração, que é um dos principais
motivos de desgaste da ferramenta. Em decorrência de uma menor vibração
ocorrerá uma diminuição das tensões residuais na peça usinada, evitando assim,
possíveis futuras falhas (fator importante às peças aeronáuticas), quebras e
desgastes excessivos à ferramenta.
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O “tempo perdido” do país na década de 80 fomentou a existência de
principais fatores para um baixo desempenho do comércio moveleiro, sendo este
diretamente, a defasagem tecnológica. Entende-se que, além desta defasagem,
devido a problemas sociais do país, a baixa qualidade de mão-de-obra também
possui influência neste desempenho, logicamente, com uma menor parcela
comparada à baixa aplicação tecnológica. Analisa-se que a verticalização das
empresas do setor também contribui para o baixo crescimento, assim como a falta
de design próprio. Neste último fator apresenta influência direta um indicador
fundamental da competitividade, pois interfere diretamente no marketing do produto,
fazendo com que o mesmo já inicie enfraquecido na sua competitividade no
mercado.
O processo de usinagem esta intrínseco ao instinto humano. No entanto, há
cortes com processos mais complexos, com contornos especiais e que envolvem
importantes variáveis para a escolha de uma ferramenta. Na usinagem, o projeto de
escolha de uma ferramenta é fundamental, principalmente no caso da usinagem de
madeira, pois a madeira é um composto orgânico que se diferencia uma da outra,
apresentando assim, pequenas variações de comportamentos mecânicos. Entende-
se que, esta variação mecânica da madeira, se não for um conhecimento controlável
à engenharia da empresa, provoca facilmente um desgaste excessivo da
ferramenta, um baixo rendimento produtivo e uma não qualidade de processo.
Analisa-se que, após a revolução industrial, o mundo passou a destilar
toneladas e mais toneladas de grandes quantidades de poluentes para o meio
ambiente e esta “ação” gerou um acúmulo, tornando-o passivo a sérias alterações
ambientais. Em relação aos atuais países em desenvolvimento, o Brasil é a nação
que mais possui recursos naturais, justamente em um mundo onde já se percebe a
escassez de alguns desses recursos. A matriz energética de combustíveis fósseis
hoje, não é mais uma alternativa sustentável, devido às projeções de crescimento
social. A ciência demonstra que são necessárias mudanças para a continuidade. O
engenheiro de produção que compreende os processos e a ciência possui em suas
mãos a missão de reverter e eliminar as situações de resíduos, criando mecanismos
de reuso de materiais de processos e gerando assim a harmonia entre a produção, a
natureza e a sociedade.
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5.1 Conclusões
Somente a utilização mínima de fluido de corte deve ser aplicada exatamente
no ponto de aquecimento entre a peça trabalhada e a ferramenta, havendo assim,
redução no consumo de materiais, além de garantir a correta refrigeração da
ferramenta. Sobre o assunto de usinagem, percebe-se que, o país não possui uma
regra especifica de usinagem. Portanto, a falta de normas neste setor enfraquece de
certa forma a fomentação de competitividade das empresas nacionais ao mercado
internacional.
Entende-se que, a geração do cavaco em forma de lamema em
termoplásticos, se dá por decorrência da elevação de temperatura do ponto usinado;
Temperatura essa que, é capaz de quebrar as ligações existentes no local,
chegando a desfragmentar alguns dos arranjos moleculares, atuando assim, com
um pré-derretimento da substância. Considerando a existência de cavacos em forma
de lamema para materiais poliméricos; Conclui-se também, a importância de um
sistema que auxilie a retirada deste tipo de material da peça, pois, ao fim do
processo de corte este material aquecido irá se resfriar, podendo então aderir-se
novamente ao material, ocasionando assim, uma ineficiência ao processo de
usinagem.
O período de uma década de atraso sofrido pelo Brasil refletiu
consideravelmente no baixo desempenho competitivo do país, já que, esta data
coincidiu justamente com a implantação da tecnologia eletrônica neste setor,
gerando grandes avanços para os países que investiram e dominaram esta técnica,
assim, consolidando-se neste setor.
Entende-se que, o país necessita de uma política para desenvolver uma
melhor utilização de seus recursos internos, seja na usinagem (de metais ou não
metais), como também de outros produtos. Pois, percebemos facilmente situações
em que, nossos recursos naturais são exportados com grande quantidade para o
exterior e nós perdemos a oportunidade de agregar mais valor a ele, sem contar da
chance do desenvolvimento de uma tecnologia interna nacional.
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Referências
[1] BRADY, James E. HUMISTON, Gerad E. Química geral. 2 ed. Rio de Janeiro: Livros
técnicos científicos editora, 1986. Cap. 3, 4, 5.
[2] CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLOGICA. Modulo 3: usinagem básica.
Santa Catarina, 2009. 83p. Publicado internamente.
[3] CHIAVERINI, Vicente. Tecnologia mecânica: processo de fabricação e tratamento. 2 ed.
São Paulo: Pearson Education, 1986. Cap. 8.
[4] COELHO, Maritzel Rios Fuentes. Competitividade das exportações brasileiras de móveis
no mercado internacional: uma análise segundo a visão desempenho. Revista Fae, jan./jun.
2004. P.51-65.
[5] COPPINI, Nivaldo; MARCONDES, Francisco; EDUARDO, Anselmo Diniz. Tecnologia
da usinagem dos materiais. 6 ed. São Paulo: Artliber, 2003.
[6] LEÃO, Mauricio de Souza; NAVEIRO, Ricardo Manfredi. Fatores de competitividade da
indústria de móveis de madeira no Brasil. Rio de Janeiro, 13 out. 2008. Disponivel em: <
http://www.abepro.org.br/biblioteca/ENEGEP1998_ART466.pdf>. Acesso em: 11 de abr.
2010.
[7] LUCAS, F.C. Filho. Análise da usinagem da madeira visando a melhoria de processos em
indústrias de móveis. 2004. 176 f. Monografia (Doutorado) - UNIVERSIDADE FEDERAL
DE SANTA CATARINA, Florianópolis, Santa Catarina.
[8] MANO, Eloisa Biasotto. Introdução a polímeros. São Paulo: Ed Edgard Blucher Ltda,
1988. Pag. 1 a 42.
[9] RIOS, Márcia R.S. Estudo do comportamento do fluido sintético na furação de aço
inoxidável. Campinas, 10 jul. 2002. Disponível em: <
http://libdigi.unicamp.br/document/?code=vtls000267690>. Acesso em: 1 set. 2009.
[10] RUSSEL, John B. Química geral. 2. ed. Vol. 1. São Paulo: Markron Books, 1994. Cap.
5, 8 e 9.
[11] RUSSEL, John B. Química geral. 2. ed. Vol. 2. São Paulo: Markron Books, 1994. Cap.
19 e 20.
[12] SEIKE, Mori. Novo conceito em centros de usinagem. São Paulo, 05 de mar. 2004.
Disponível em: < http://www.omundodausinagem.com.br/edicoes/2004/3/index.htm>. Acesso
em: 13 set. 2009.
[13] SERVIÇO NACIONAL DE APRENDIZAGEM INDUSTRIAL. Polímeros industriais.
Salvador, 2005. 79 p. Publicado internamente.
[14] VAN VLACK, Lawrence Hall. Princípios de ciência dos materiais. São Paulo: Ed
Edgard Blucher Ltda, 1970. Cap. 1, 2, 7.
52
[15] <www.brasilescola.com/quimica/classificacao-dos-polimeros-sinteticos.htm >. Acesso
em 14 abr. 2010.
[16] <www.cimm.com.br>. Acesso em: 16 set. 2009.
[17] <www.omundodausinagem>. Acesso em: 22 abr. 2008.
[18] <www.portalsaofrancisco.com.br/alfa/polimeros/polimeros-4.php>. Acesso em: 19 mar.
2010.
[19] <www.remade.com.br/br/index.php> . Acesso em: 15 abr. 2009.
[20] <www.remade.com.br/br/madeira_serrada_popup.php?num=1>. Acesso em: 21 abr.
2009
[21] <www.remade.com.br/br/madeira_serrada_popup.php?num=2 >. Acesso em: 21 abr.
2010.
[22] WRUBLAK, Osiel: PILATTI, Luiz Alberto: PEDROSO, Bruno. Parâmetros e métodos
de usinagem e sua relação com os custos do processo e o acabamento final do produto.
Paraná, 25 a 29 ago. 2008. Disponível em: <
http://www.google.com.br/url?sa=t&source=web&ct=res&cd=1&ved=0CAYQFjAA&url=htt
p%3A%2F%2Fwww.4eetcg.uepg.br%2Fpainel%2F64_1.pdf&rct=j&q=Par%C3%A2metros+
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cesso+e+o+acabamento+final+do+produto&ei=1vDMS5DIDYKC8wSttYTCBg&usg=AFQj
CNGX-afWSCgztfppzDJOiIMv7638XQ>. Acesso em: 16 dez. 2009.