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Campinas CURSO DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO

Melhoria do Processo de Usinagem do furo do pino de um

Pistão Automotivo

Marcelo Contrera Lopes

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Campinas CURSO DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO

Melhoria do Processo de Usinagem do furo do pino de um

Pistão Automotivo

Marcelo Contrera Lopes

Monografia apresentada à disciplina do Trabalho de Conclusão de Curso, do Curso de Engenharia de Produção da Universidade São Francisco, sob a orientação do Prof. Dr. Eduardo José Sartori, como exigência parcial para conclusão do curso de graduação. Orientador: Prof. Dr. Eduardo José Sartori

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Melhoria do Processo de Usinagem do furo do pino em um Pistão Automotivo

Marcelo Contrera Lopes

Monografia defendida e aprovada em 19 de novembro de 2010 pela Banca Examinadora assim constituída: Prof. Dr. Eduardo José Sartori (Orientador)

USF – Universidade São Francisco – Campinas – SP. Prof. Ms/Dr. Osmar Roberto Bagnato (Membro Interno)

USF – Universidade São Francisco – Campinas – SP. Prof. Ms/ Emilio Gruneberg Boog (Membro Interno)

USF – Universidade São Francisco – Campinas – SP.

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Não tenhas medo do futuro, já que o tempo está nas mãos do Criador do céu da terra. A lâmpada que você leva na mão pra iluminar o caminho de alguém ilumina você mesmo e o seu caminho.

(Papa João XXIII)

(Padre Luis Cechinato)

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Agradeço a Deus a oportunidade de me proporcionar este estudo, que com muito sacrifício, foi concluído, a minha esposa Ângela Gebim que sempre me deu forças e estava ao meu lado, pois muitas vezes estava ausente em horas de conforto, a minha mãe Maria de Lourdes que compreendeu minhas necessidades e ao meu pai Milton Contrera que a todo tempo olhou por mim. Sou eternamente grato a todos.

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.Agradecimentos

Agradeço primeiramente ao Professor Eduardo José Sartori, meu orientador, que acreditou em mim e incentivou-me para a conclusão deste trabalho, face aos inúmeros percalços do trajeto. Agradeço também ao Professor Emilio Gruneberg Boog, um companheiro de percurso e de discussões profícuas, dentro e fora do contexto deste trabalho, agraciando-me incontáveis vezes com sua paciência, conhecimento e amizade. Após transpor vários obstáculos, sinto-me gratificado por mais esta conquista. Quero agradecer aos nossos instrutores pelos conhecimentos passados, a minha família, pela compreensão de tantas ausências, muitas vezes em horas de lazer. Agradeço a empresa pela confiança depositada, sabendo que apenas ultrapassei mais uma etapa em um constante processo de evolução. Eu agradeço fraternalmente a todos.

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Sumário

Sumário ........................................................................................................................ 7 ABSTRACT ................................................................................................................. 9 1.0 INTRODUÇÃO .................................................................................................... 10 1.1 OBJETIVOS ......................................................................................................... 12 1.2 JUSTIFICATIVA.................................................................................................. 13

1.3 Organização do trabalho .................................................................................... 13 2.0 MELHORIA DO PROCESSO DE USINAGEM DO FURO NO PINO DE UM PISTÃO AUTOMOTIVO ........................................................................................... 14 3.0 PROCESSO DE USINAGEM DO FURO DO PINO PISTÃO BUCHA ............... 17 4.0 PROCESSO ATUAL DE USINAGEM DE ACABAMENTO NO FURO DO PINO ................................................................................................................................... 18 4.1 DESVANTAGENS DO PROCESSO ATUAL ...................................................... 19 5.0 PROCESSO PROPOSTO DE USINAGEM DO ACABAMENTO NO FURO DO PINO DO PISTÃO BUCHA ....................................................................................... 21 Eixo porta ferramenta utilizado no processo proposto: ................................................ 21 5.1 VANTAGENS DO PROCESSO PROPOSTO ...................................................... 22 6.0 CUSTO DA IMPLANTAÇÃO ............................................................................. 23 Figura 14: custo atual com ferramentas ....................................................................... 23 Figura 15: custo proposto com ferramentas ................................................................. 24 Figura 16: peças produzidas x custo com ferramentas ................................................. 24 6.3 PERDA COM PRODUTIVIDADE ....................................................................... 26 Figura 19: Quantidade de peças referente a set up das ferramentas .............................. 26 ECONOMIA ANUAL COM PRODUTIVIDADE ...................................................... 26 2.970 PEÇAS 91 % .............................................................................................. 26 7.0 CONSIDERAÇÕES FINAIS ................................................................................ 27 8.0 BIBLIOGRAFIA .................................................................................................. 28

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RESUMO

Esta monografia apresenta a melhoria do processo de usinagem do furo do pino em um pistão automotivo, motor diesel, cliente Mercedes Benz, em um estudo realizado na empresa Malhe Metal Leve, localizada no estado de São Paulo, em Mogi Guaçu, na célula de produção diesel. A análise dos dados consiste na usinagem de acabamento do furo do pino, parte interna da bucha de bronze, fornecida pré-acabada (importada da Alemanha) e montada no pistão sobre pressão, através de resfriamento (nitrogênio líquido) e prensagem. Nesta operação são usinados dois pistões por vez. A máquina que faz essa operação é uma mandrilhadora modelo FB 82, que executa o acabamento em furos paralelos, fôrmas e furos ovalizados. Os resultados obtidos através do presente trabalho foram: melhoria na rugosidade média especificada, ganho com retrabalhos nas buchas devido a vibração do material, ganho com tempo de troca de ferramenta, aumento na produtividade e maior estabilização do controle de medidas. PALAVRAS-CHAVE: Pistão, Rugosidade Média, Troca de Ferramenta, Produtividade

e Controle Dimensional.

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ABSTRACT

This monograph shows the theme the improvement of the plant factory process of the peg in the automobile piston, from the diesel motor, Mercedes Benz client. As for the methodology, it’s about a study realized at Mahle Metal Leve industry, located in Mogi Guaçu, SP, in the diesel production cell. The data analysis consists in the plant of the peg puncture finishing, the internal part of the bronze filler, provided pre finished (imported by Germany) and produced in the pressurized piston, through chilling (liquid nitrogen) and pressed. In this process is a machine model FB82 that makes. The parallel puncture finishing, shapes and oval punctures. The analyzed study, brings benefits to this production process of piston, such as the improvement in the medium puckering specified, earned with the reuses in the fillers because of the material vibration, earned with the change period of the tools, raising in the productivity and better stabilization of the gauger’s controls. KEY WORDS: Piston, Medium Puckering, Tool Exchange, Productivity and Dimensional Control.

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1.0 INTRODUÇÃO

A empresa Mahle Metal Leve S/A foi fundada em 1920, em Stuttgart, Alemanha, pelos irmãos Hermann e Ernst Mahle. A Mahle tem uma história marcada pelo pioneirismo e pela perseverança. Os irmãos Mahle decidiram produzir pistões de liga leve em série. Esses foram os primeiros pistões fabricados com liga leve, ainda na década de vinte. Devido a sua curta durabilidade, tinham o uso restrito aos carros de corrida. No entanto, esse problema é superado e a fábrica passa, logo nos primeiros dois anos de funcionamento, de 6 para 122 funcionários. Foi assim que, em 1922, a indústria química Griesheim-Elektron passou a se interessar pela pequena fábrica. A partir dessa parceria, surge novo nome para a empresa: Leichtmetallwerke GMBH. Passando por diversas crises que castigavam a economia da época, os empresários pioneiros passaram a produzir pistões cada vez mais duráveis, silenciosos e eficientes. Conseguiram aperfeiçoar os processos de usinagem e desenvolver uma arrojada tecnologia de material de liga, cada vez mais leve e resistente. Em 1923, são produzidos mais de 30.000 pistões e, em 1924, mais de 80.000. Atualmente, a produção diária é maior do que a produção anual daquela época. A partir de outubro de 1924, a empresa passa a se chamar Elektronmetall GMBH, assumindo, também, a comercialização das ligas especificadas em elétrons da empresa química Griesheim-Elektron. Em 1925, passa a ser a primeira empresa, na Alemanha, a assumir a produção de filtros de óleo e ar. Em 1930, Henry Ford visita a , ainda, pequena companhia que começava a criar reputação internacional; em 1931, patenteia-se o pistão com porta-anel; ainda em 1931, a empresa OPEL passa a utilizar pistões de liga leve; isto marcará o final de um ciclo de 10 anos de passagem da utilização de pistões de ferro fundido, para os de liga leve. No ano de 1949, o Sr. Ernest Mahle estabeleceu-se no Brasil ; a partir de 1951 a empresa Mahle pôde fornecer know-how para o desenvolvimento da, então, empresa Metal Leve S/A; essa atividade foi encerrada em 1975. No ano de 1975, a Mahle adquire o controle acionário da empresa Cima Componentes Automotivos S.A. e inicia a construção da fábrica de Mogi Guaçu S.P. Em 1981, é inaugurada a fábrica de pistões de Mogi Guaçu, dando origem à Mahle Indústria e Comércio Ltda, no mesmo ano é inaugurada a planta da Metalúrgica Mogi Guaçu Ltda – MMG. No ano de 1996, a Mahle adquire o controle acionário da empresa Metal Leve S/A Indústria e Comércio; em 1997 há a aquisição, em conjunto com a Magneti Marelli, da empresa Cofap – Companhia Fabricadora de Peças (Divisão de Anéis). No ano de 1998, a empresa Mahle realizou uma joint venture com a empresa austríaca Miba Sinter Holding GmbH e passa a denominar-se Mahle Metal Leve Miba Sinterizados Ltda. (Unidade Indaiatuba); no mesmo ano há a criação do novo Centro Logístico para o mercado de reposição, em Limeira (S.P.). Neste ano a Metal Leve S/A Indústria e Comércio incorpora a Mahle Pistões Ltda., transfere sua sede social para a cidade de Mogi Guaçu e passa a denominar-se Mahle Metal Leve S/A. Em 1999 é constituída a Mahle Cofap Anéis S/A. No ano de 2000 inicia-se a instalação de uma fábrica de filtros na cidade de Mogi Guaçu (Mahle Sistemas de Filtração Ltda.), que é incorporada pela Mahle Metal Leve S/A, em 2002. Em 2003, a Mahle MMG Ind. e Com. Ltda (antiga Metalúrgica Mogi Guaçu) é incorporada pela Mahle Metal Leve S/A e a empresa Mahle Cofap Anéis S/A passa a denominar-se Mahle Componentes de Motores do Brasil Ltda.

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Nos anos de 2004 e 2005 as empresas que compõem o grupo Mahle continuam a dedicar-se ao aprimoramento e desenvolvimento de materiais e processos para melhoria do nível de emissões, economia de combustível, diminuição de ruído e maior durabilidade das peças nos motores. Para a Mahle os clientes são tratados como parceiros e o principal objetivo do grupo é criar as melhores soluções para atender às suas exigências. Desde sua fundação, a empresa Mahle tem uma preocupação constante com a qualidade de seus produtos e serviços e conta com um eficiente sistema de controle, implantado em todas as suas filiais, reconhecido pelas certificações ISO/TS 16949, ISO 9001 e, em fase de implantação em todas a suas unidades brasileiras, a ISO 14001. Atualmente, a empresa Mahle Metal Leve S/A possui três plantas na cidade de Mogi Guaçu, Estado de São Paulo, totalizando uma área construída de 85.350,53m2, possuindo em suas fileiras aproximadamente 4000 colaboradores. Suas unidades produtivas, no Brasil e ao redor do mundo, utilizam os mais avançados equipamentos de fundição e técnicas de usinagem. O grupo Mahle, no Brasil, fabrica pistões, camisas, cilindros, bielas, buchas, anéis de pistão, bronzinas e subsistemas, eixos de comando de válvula, filtros de combustível, entre outros. Esses produtos são fornecidos tanto para montadoras como para o mercado de reposição (carros de passeio, caminhões e tratores). Seus colaboradores trabalham, juntamente com os clientes, no desenvolvimento de componentes, para encontrarem soluções eficientes e adequadas às suas aplicações. Hoje, o principal acionista da Mahle GmbH é a Fundação Mahle, entidade de utilidade pública que incentiva numerosos projetos na área da educação, do cultivo biológico e, principalmente, na área da saúde pública.

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1.1 OBJETIVOS

Esta monografia tem por finalidade demonstrar o aproveitamento do processo atual de usinagem para furo do pino da bucha de bronze, utilizando um porta ferramenta com apenas uma ferramenta, evitando o acúmulo de cavacos entre elas e demais problemas relacionados à qualidade do produto, como: visual não conforme, interferências na rugosidade média especificada em normas da ISO 9000, problemas com controles dimensionais e rejeição das peças fabricadas, ocasionando interferência no desempenho produtivo, devido a trocas excessivas de ferramentas.

Desta forma temos um processo que irá minimizar custos devido ao consumo de ferramentas, com um investimento baixo de implantação, gerando maior produtividade e lucratividade para a empresa.

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1.2 JUSTIFICATIVA

Devido ao acúmulo de cavacos encontrados nos eixos porta ferramentas, observa-se que há problemas com a qualidade do acabamento no furo do pino, ocasionando deficiência na produção devido a paradas para efetuar o controle dimensional da peça. Desta forma tem se altos custos com troca de ferramentas, perda de tempo para efetuar a troca de ferramenta, perda na produtividade, desvios da rugosidade média especificada pela norma ISO 9000, retrabalhos indesejáveis ou até mesmo ocasionando perda da peça.

1.3 Organização do trabalho

Este trabalho está organizado na seguinte forma: Capitulo 1: Descrição do produto Capitulo 2: Rugosidade Capitulo 3: Tipos de Ferramentas utilizadas Capitulo 4: Processo de Usinagem do furo do pino pistão bucha Capitulo 5: Processo atual de usinagem do acabamento no furo do pino Capitulo 6:Desvantagens do processo atual Capitulo 7: Processo proposto de usinagem do acabamento no furo do pino Capitulo 8: Vantagens do processo atual Capitulo 9: Custo da Implantação Capitulo 10: Custo com Ferramentas Capitulo 11: Economia anual com ferramentas Capitulo 12: Perda com Produtividade Capitulo 13: Economia anual com Produtividade.

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2.0 MELHORIA DO PROCESSO DE USINAGEM DO FURO NO

PINO DE UM PISTÃO AUTOMOTIVO

2.1 Descrição do produto: Pistão

O pistão é uma peça de forma cilíndrica, geralmente de liga de alumínio ou ferro fundido, fechada na parte superior e aberta na parte inferior (conforme figura 1), adaptando-se perfeitamente ao diâmetro do cilindro ou camisa do motor. O pistão tem a função de transmitir, através de movimentos alternados, movimento para o virabrequim do motor, por intermédio de pino e biela. O termo pistão é reconhecido pela Associação Brasileira de Normas Técnicas como “Êmbolo”, sendo constituído de cabeça, saia, furo para pino e canaletas.

Figura 1: Pistão

Pistão: liga de alumínio com bucha de bronze

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2.2 Rugosidade

A rugosidade (erros microgeométricos) é o conjunto de irregularidades, isto é, pequenas saliências (picos) e reentrâncias (vales) que caracterizam uma superfície. Essas irregularidades podem ser avaliadas com aparelhos eletrônicos, a exemplo do rugosímetro. A rugosidade desempenha um papel importante no comportamento dos componentes mecânicos, influenciando na qualidade de deslizamento; resistência ao desgaste; possibilidade de ajuste do acoplamento forçado; resistência oferecida pela superfície ao escoamento de fluidos e lubrificantes; qualidade de aderência que a estrutura oferece às camadas protetoras; resistência à corrosão e à fadiga; vedação; aparência.

È de suma importância que o pistão seja sujeito a uma medição periodicamente durante o turno de trabalho, pois será averiguado se o mesmo se encontra dentro do que o cliente especificou. Além do inspetor verificar o RA médio (conforme figura 2), alguns pistões são conferidos o alinhamento do cubo, através do seu paralelismo ou suas geometrias em modelo de formas. Desta forma o grau de irregularidade da rugosidade varia de acordo com algumas causas: imperfeições nos mecanismos das máquinas-ferramenta; vibrações no sistema peça-ferramenta; desgaste das ferramentas; o próprio método de conformação da peça. No Brasil, os conceitos de rugosidade superficial são definidos pela norma ABNT NBR 6405-1985.

Figura 2: Rugosidade de um perfil

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2.3 Tipos de Ferramentas utilizadas

Ferramenta de diamante: É um carbono cristalizado formado no interior da terra em meio a altíssimas temperaturas e pressões, é o material mais duro que existe na natureza, originário de vulcões, são encontrados em depósitos aluviais ou leitos de rios, tendo formas, tamanhos e cores variadas.

Diamante Lapidado: Diaform, Fliesen, Fortuna, Landis, Duromêtros (medidores de dureza). É constituida em uma haste metálica (aço) e um diamante soldado em sua extremidade. Condição de trabalho: Profundidade: 0,032mm por passada Avanço: 0,03mm a 0,15mm por volta Refrigeração: abundante

PCD: para usinar materiais não ferrosos (conforme figura 3) tais como: alumínio, bronze, latão, plásticos, madeira, metal duro e outros mais, quando a necessidade é bom acabamento e rapidez.

Figura 3: Suporte ferramentas

PCD RAIO 2,5mm Diamante 8x8 mm Raio 2,5 mm

Diamante8x8mm Raio 2,5 mm

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3.0 PROCESSO DE USINAGEM DO FURO DO PINO PISTÃO BUCHA

3.1 Operação: Acabamento do furo do pino

Consiste na usinagem de acabamento do furo do pino, parte interna da bucha de bronze, fornecida pré-acabada (importada da Alemanha) e montada no pistão sobre pressão, através de resfriamento (nitrogênio líquido) e prensagem. Nesta operação são usinados dois pistões por vez (conforme figura 4). A máquina que faz essa operação é uma mandrilhadora modelo FB 82, que executa o acabamento em furos paralelos, fôrmas e furos ovalizados. O avanço e retorno do carro são controlados por módulo CNC, que por sua vez, regula o Ra (rugosidade média) do furo do pino.

Figura 4: Pistão e bucha de bronze antes do processo.

A bucha de bronze é aplicada em pistões com pressão superficial no furo do pino de 70N/mm² até 80N/mm², acima deste valor usam-se pistões em aço. Para os pistões 128L111A2, 128L118A2 e 128L120A2 a pressão é de 70N/mm². O processo adotado pela MAHLE, para contração da bucha de bronze, devido à interferência necessária para fixar a bucha é: Ajuste: A interferência é de 103 a 130 milésimos a frio. Fornecedor: Wieland/Alemanha Hidroveda/Brasil (em desenvolvimento)

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4.0 PROCESSO ATUAL DE USINAGEM DE ACABAMENTO NO FURO DO

PINO

No processo atual de usinagem, na bucha de bronze do furo do pino, são utilizados dois eixos porta- ferramentas (conforme figura 5), com duas ferramentas cada, sendo que em que cada eixo é usado um PCD (diamante poli cristalino) 8x8 mm e um diamante 8x8 mm, de raio 2,5 mm. As ferramentas usadas têm sua eficiência para PCD de 20.000 peças e para o diamante, rendimento de 30.000 peças. No processo atual utilizam-se duas ferramentas, sendo que a ferramenta PCD realiza o desbaste e a ferramenta de diamante executa o acabamento no furo do pino. Neste processo há o acúmulo de cavacos de bronze, em forma de fitas, entre as ferramentas de usinagem.

Figura 5: máquina efetuando a operação de acabamento do furo do pino.

Eixo porta ferramenta

Acúmulo de cavacos entre as ferramentas

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4.1 DESVANTAGENS DO PROCESSO ATUAL

1-Rugosidade média (Ra) próximos dos limites especificados;

Figura 6: rugosidade média próximo dos limites máximos, escala 0,002 µ 2-Surgimento de riscos nos furos do pino, motivando retrabalho. Marcas de vibração no acabamento do furo do pino;

Figura 7: Bucha de bronze com defeito visual 3-Constantes trocas de ferramentas; 4-Perda de produção, no tempo gasto, para trocar ferramentas;

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5-Constantes variações no diâmetro do furo do pino.

Figura 8: Aparelho de medição do furo do pino.

Figura 9: Aparelho de medição do furo do pino, demonstrando variações de medidas.

Aparelho milipneumático

Espiga pneumática de medição

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5.0 PROCESSO PROPOSTO DE USINAGEM DO ACABAMENTO NO FURO

DO PINO DO PISTÃO BUCHA

No processo proposto, elimina-se a ferramenta PCD (diamante policristalino), responsável pelo desbaste na bucha de bronze do furo do pino, sendo que o desbaste e o acabamento no processo de usinagem serão executados pela mesma ferramenta de diamante 8X8 mm, com raio 2,5 mm (conforme figura 10), já existente no processo atual. No processo proposto, não haverá o acúmulo de cavacos em forma de fitas entre as ferramentas (conforme figura 11); este cavaco ficará acumulado no final do eixo porta-ferramenta, até a limpeza por parte do operador da máquina, não interferindo no processo de usinagem e não provocando danos ao furo do pino, além de reduzir o desgaste da ferramenta.

Eixo porta ferramenta utilizado no processo proposto:

Figura 10: Eixo porta ferramentas.

Figura 11: Eixo porta ferramentas com menos cavacos.

Diamante 8x8mm Raio 2,5mm

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5.1 VANTAGENS DO PROCESSO PROPOSTO

1-Melhoria na rugosidade média (Ra), sendo mantida na média das especificações;

Figura 12: Rugosidade média dentro do especificado, escala 0,002 µ 2-Eliminação de retrabalho nos furos dos pinos; 3-Redução na troca de ferramentas; 4-Aumento na produtividade, com redução de troca de ferramentas;

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5-Eliminação da variação do diâmetro do furo do pino.

Figura 13: Medidas Constantes no cubo.

6.0 CUSTO DA IMPLANTAÇÃO

Foi apenas o gasto homem/hora e o tempo de avaliação dos resultados, gerando um

investimento para a empresa de aproximadamente R$ 1.812,00.

6.1 CUSTO COM FERRAMENTAS

Figura 14: custo atual com ferramentas

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Figura 15: custo proposto com ferramentas

6.2 ECONOMIA ANUAL COM FERRAMENTA

Figura 16: peças produzidas x custo com ferramentas

ECONOMIA ANUAL COM FERRAMENTAS

R$ 9.448,20 84 %

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Figura 17: Quantidade Ferramentas Utilizadas

Figura 18: Quantidade horas com Troca de Ferramenta

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6.3 PERDA COM PRODUTIVIDADE

Figura 19: Quantidade de peças referente a set up das ferramentas

ECONOMIA ANUAL COM PRODUTIVIDADE

2.970 PEÇAS 91 %

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7.0 CONSIDERAÇÕES FINAIS

Nesta monografia, verifica-se um processo que atinge diretamente na qualidade do produto, relacionando custo com ferramentas e produtividade, devido ao excesso de cavacos entre ferramentas no suporte-ferramenta utilizado. No processo proposto temos a diminuição de uma das ferramentas no mesmo suporte, gerando investimento baixo de implantação obtendo uma economia anual de R$ 9.448,20 com ferramentas e um ganho anual com produtividade de 2.970 unidades.

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8.0 BIBLIOGRAFIA

INDÚSTRIAS Anuário das. Federação das Indústrias do Estado de São Paulo, Centro das Indústrias do Estado de São Paulo 1991 . CUNHA Salles Lauro, Cravenco Padovani Marcelo. Manual pratico do Mecânico. 2 ed. 592 pag: 2003. Informativo boletim. Por Instituto Brasileiro de Bibliografia e Documentação. 1 e 2 vol. 1995. HEWITT Paulo G. Física Conceitual. 9 ed. 686 pag: 1998. Maquinas.Manual.Machinetools24.7.ModeloFB100.http://www.machinetools247.com/machines/MachinesTypeHyp.aspx?TypeMachine=BORING%20MILLS,%20HORIZ,%20TABLE%20TYPE. Acesso em: 09 Abril. 2010. Mecânica Jornal Brasileiro. Sociedade Brasileira de Mecânica. 28 vol. 3 ed. 256 pag. Out. 2002. CHOLLET H. M. Curso Pratico e Profissional para Mecânicos de Automóveis. 1 ed. 404 pag. Mar. 1998. MALHE.Histórico.http://www.mahle.com.br/C12570C2003CB56C/CurrentBaseLink/W26L8BLD873STULPT. Acesso em:10 Março. 2010. MALHE.Histórico.http://www.mahle.com.br/C12571AE0031126E/Print/W26U4C5S387STULPT. Acesso em: 5 Abril. 2010.