Relatório de Estágio Curricular III



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CTC – Centro Tecnológico

Departamento de Engenharia Mecânica

Relatório de Estágio Curricular III

Aluno: Ricardo Mello Di Benedetto

Matrícula: 07137805

Orientador: Sr. Márcio Voelz


“Concordamos com o conteúdo do relatório”:


Florianópolis, 2009


WEG Equipamentos Elétricos S.A. - Divisão Motores

Departamento de Ferramentaria
Rua Venâncio da Silva Porto, 399

Jaraguá do Sul – SC

CEP: 89256-900

Fone: +55 (47) 3372-4000

Fax: +55 (47) 3372-4010

weg@weg.net

http://www.weg.net

Agradecimentos
Meus sinceros agradecimentos à WEG S/A pela oportunidade de estágio, por contribuir para meu crescimento profissional e pelas boas amizades ali feitas.

Ao coordenador de estágio Sr. Márcio Voelz e ao Gerente do Departamento de Ferramentaria Sr. Maurício Zanghelini pela dedicação e profissionalismo.

Aos senhores Berend Snoeijer, Germano Riffel e Antônio Pedro Novaes pelo incentivo e preocupação com o crescimento profissional do acadêmico.

À equipe do Departamento de Ferramentaria, Modelos e Laboratório CTC.

À minha família.


Sumário



1. Introdução 5

2. Viabilização de materiais poliméricos para modelos de fundição 6

O objetivo do estudo de materiais poliméricos para modelos de fundição é apresentar alternativas viáveis para produção. Desta forma, analisando características físicas e econômicas dos materiais selecionados, é possível comparar resultados a fim de se determinar o melhor polímero para fabricação dos modelos. 6

2.1 Processamento 6

A resistência à abrasão, a estabilidade térmica, a usinabilidade, a temperatura de trabalho e a lubricidade constituíram os principais critérios de escolha dos polímeros para teste, e nesta etapa foram selecionados o POM (poliacetal), o NYLON 6 (poliamida 6G), o NYLON 66 (poliamida 6,6) e o já utilizado PU (poliuretano). O PTFE (politetrafluoretileno) apresentou-se forte candidato, mas o custo do material é inviável para fabricação de modelos de fundição. 7



2.2 Procedimento experimental 9

9

Corpos de provas foram usinados para início dos testes. Todos os materiais sofreram a mesma sequência de usinagem seguindo fielmente as etapas descritas na folha de processo. Ao todo foram fabricados sete corpos de provas, sendo três deles em PU (verde, amarelo e vermelho) que apresentam de acordo com o fornecedor diferentes propriedades, um fabricado em alumínio e os três restantes com os materiais selecionados (POM, PA6G e PA 6,6). 9

9

10

O intuito é analisar e transcrever o comportamento desses materiais quanto à usinabilidade e eventuais dificuldades encontradas durante a fabricação dos corpos de prova. Ao todo são sete parâmetros a serem interpretados nessa etapa: 10

Para que o teste não se tornasse empecilho para a produção, foi proposto uma adaptação. A lateral da placa modelo ganhou um rebaixo onde foram fixados por parafusos os corpos de prova, sendo uma maneira de testar os polímeros nas mesmas condições dos modelos reais sem que interfiram na programação do setor de fundição. Ou seja, as amostras foram acopladas às placas da DISA (equipamento de compactação da areia de fundição) de um modelo qualquer, sem que este sofra alguma alteração de processamento. 10

Com relação à modelagem, foram avaliados os seguintes parâmetros: 13

2.3 Controle e acompanhamento do teste 14

2.4 Resultados 16

De forma geral, as amostras poliméricas se comportaram de maneira semelhante no processo de usinagem. O tempo de operação medido para cada corpo de prova foi aproximadamente o mesmo, demonstrando grande facilidade na operação. Apenas os corpos de prova de PU apresentaram tendência à quebra frágil, visto que esse material não é auto-lubrificante e por se tratar de uma resina polimérica seca. O POM, corpo de prova 5, apresentou ótimo acabamento superficial e ótima usinabilidade. Os corpos de prova 4 e 5, nylon 6,6 e nylon 6G respectivamente, apresentaram rebarbas que acarreta em pior qualidade de acabamento, logo menor perspectiva de produtividade. 17



3. Aprimoramento da ferramenta de inserção de fio de cobre 18

3.1 O material 19

3.2 Proposta de melhoria 20

3.4 Resultados 22

3.5 Conclusão 23

4. Análise de falha em rolos de laminação 23

4.1 Estudo de caso 25

4.2 Resultados 28

4.3 Conclusão 29

5. Conclusão 31

6. Bibliografia 32

7. Anexo A – Histórico 33

8. Anexo B – Cronograma de Atividades 34

1. Introdução


O presente relatório aborda as atividades desenvolvidas durante o estágio curricular realizado no Departamento de Ferramentaria da empresa WEG Equipamentos Elétricos S.A. - Divisão Motores - pela Universidade Federal de Santa Catarina no período de setembro a dezembro de 2009. O Departamento de Ferramentaria é responsável pelos projetos, planejamento, produção, assistência e montagem de ferramentas utilizadas em todos os setores da empresa.

O trabalho de estágio não se restringe apenas a esse Departamento, mas a processos envolvidos em diversos setores e unidades da empresa. Grande parte dos trabalhos executados durante o período de estágio é continuação de atividades iniciadas anteriormente, visando sempre a melhoria e contribuindo com novas tecnologias para a empresa.

Dentre as inúmeras atividades desenvolvidas, destacaram-se os testes com novos materiais poliméricos para modelos de fundição, acompanhamento e proposta de inovação para as ferramentas de insertar fio de cobre (lamelas de bobinagem) e análise de falhas de rolos laminadores.

A realização de um estágio curricular proporcionou novos conhecimentos, integração ao meio industrial, novas experienciais e desafios. A liberdade de ação e a confiança depositada foram fatores de muita importância para o bom andamento do estágio. A Weg S/A é exemplo de empresa no mundo e sua motivação é impulsionada por pessoas, tecnologia e qualidade dos produtos e serviços.

2. Viabilização de materiais poliméricos para modelos de fundição

O objetivo do estudo de materiais poliméricos para modelos de fundição é apresentar alternativas viáveis para produção. Desta forma, analisando características físicas e econômicas dos materiais selecionados, é possível comparar resultados a fim de se determinar o melhor polímero para fabricação dos modelos.


A utilização de materiais poliméricos para produção de modelos de fundição é um assunto questionável. Os modelos são submetidos a temperaturas nas quais o material polimérico nem sempre consegue suportar sem a ocorrência de deformações dimensionais. O desgaste abrasivo, oriundo da deposição da areia de fundição também é um agravante para utilização de polímeros. Esses dois fatores constituem as principais desvantagens para sua aplicação.

Por outro lado, materiais poliméricos apresentam características favoráveis para fabricação dos modelos de fundição como boa usinabilidade, baixo custo de matéria prima, baixo desgaste de ferramenta e redução significativa do Lead Time, ou seja, do tempo de operação.



2.1 Processamento

De forma geral todos os plásticos de engenharia podem ser facilmente fresados, cortados, furados, retificados e polidos. Estes processos são utilizados para confecção de qualquer tamanho de peça, em pequenas, médias e até grandes quantidades. Mas não se deve transferir diretamente para os plásticos a experiência adquirida com a usinagem dos metais, uma vez que estes apresentam características diferentes. O fato dos plásticos serem mais macios do que os metais, não significa que são fáceis de se usinar. Muita tensão na usinagem poderá causar no plástico, a ruptura da peça ou reter grandes tensões internas.

É preciso observar cuidadosamente algumas características importantes em que os plásticos se diferenciam dos metais, para que se possa atingir graus satisfatórios na produção de peças com estes materiais:


  • O plástico é um péssimo condutor de calor e, portanto, o calor produzido no atrito das ferramentas com o plástico durante a usinagem será dissipado com lentidão.

  • A dilatação térmica dos plásticos é muito alta, o que pode provocar uma medida fora da especificada no projeto. Após o resfriamento do material, as dimensões podem ficar de 0,05 a 0,1mm menores que a determinada.

  • Os plásticos são sensíveis a entalhes.

  • Os plásticos possuem, via de regra, menor rigidez que os metais, por isso as forças de corte necessárias são também menores.

É preciso tomar a precaução de utilizar ferramentas sempre bem afiadas e utilizar um eficiente sistema de retirada dos cavacos, preferencialmente com o uso de ferramentas com um ângulo de saída zero ou ligeiramente negativo, a fim de um bom acabamento superficial.

Pode-se desfrutar das mesmas ferramentas que são utilizadas na usinagem do aço, mas no caso de materiais carregados com fibras é aconselhável utilizar ferramentas carbonetadas, que exibem maior dureza. Uma baixa velocidade de usinagem com ferramentas afiadas resultarão em peças mecanizadas livres de tensão. Não é recomendada a utilização de ferramentas que já foram usadas na usinagem de metais.

A peça plástica não deve estar fria quando for usiná-la, devendo haver um pré-aquecimento do material em torno de 50 ° C. Para minimizar os efeitos do superaquecimento dos materiais poliméricos durante usinagem é aconselhável adotar um sistema de resfriamento de jato de ar frio ou banho em solução de 10 % a 20 % de óleo solúvel em água.


A resistência à abrasão, a estabilidade térmica, a usinabilidade, a temperatura de trabalho e a lubricidade constituíram os principais critérios de escolha dos polímeros para teste, e nesta etapa foram selecionados o POM (poliacetal), o NYLON 6 (poliamida 6G), o NYLON 66 (poliamida 6,6) e o já utilizado PU (poliuretano). O PTFE (politetrafluoretileno) apresentou-se forte candidato, mas o custo do material é inviável para fabricação de modelos de fundição.


A pré seleção dos polímeros foi realizada levando em consideração características mecânicas e térmicas dos materiais. Todas as informações estão contidas em catálogos e normas técnicas que descrevem o comportamento do polímero frente à ensaios e condições diversas. Nessa fase foi importante analisar três parâmetros distintos: densidade, temperatura de amolecimento (vicat) e coeficiente de expansão térmica.


Material

Temperatura de Trabalho máx. (C°)

Resistência

Estabilidade Térmica

Auto-lubrificação

Custo da matéria prima

Abrasão

Mecânica

PU

Poliuretano

95

Boa

Boa

Boa

NÃO

Alto

PTFE

Teflon

260

Excelente

Boa

Excelente

SIM

Alto

PP

Polipropileno

90

Moderada

Moderada

Boa

NÃO

Baixo

POM

Poliacetal

120

Excelente

Excelente

Excelente

SIM

Médio

PEAD

Polietileno de Alta Densidade

88

Moderada

Boa

Boa

SIM

Baixo

Nylon 6G

Poliamida 6G

150

Boa

Boa

Boa

SIM

Alto

Nylon 6,6

Poliamida 6,6

150

Excelente

Boa

Excelente

SIM

Médio

Tabela 1 – Principais características



Tabela 2 – Principais propriedades dos materiais selecionados
Todos os materiais selecionados foram submetidas a um ensaio de dureza para classificação através do método SHORE “D”. A tabela a seguir apresenta os resultados do ensaio.



Tabela 3 – Resultados do ensaio de dureza

2.2 Procedimento experimental

Corpos de provas foram usinados para início dos testes. Todos os materiais sofreram a mesma sequência de usinagem seguindo fielmente as etapas descritas na folha de processo. Ao todo foram fabricados sete corpos de provas, sendo três deles em PU (verde, amarelo e vermelho) que apresentam de acordo com o fornecedor diferentes propriedades, um fabricado em alumínio e os três restantes com os materiais selecionados (POM, PA6G e PA 6,6).





Fig. 1 – Perspectiva 3D do corpo de prova

O alumínio é um material amplamente utilizado na fabricação de modelos de fundição. Fácil usinabilidade, custo acessível de matéria prima e boa produtividade de peças são características marcantes deste material. O ponto negativo é a alta taxa de desgaste sob ação da areia de fundição.

O desafio é determinar um material polimérico que possa substituir o alumínio apresentando a melhor relação custo/benefício para modelos de fundição.

2.2.1 Etapa 1 - Usinagem

O intuito é analisar e transcrever o comportamento desses materiais quanto à usinabilidade e eventuais dificuldades encontradas durante a fabricação dos corpos de prova. Ao todo são sete parâmetros a serem interpretados nessa etapa:





  1. Facilidade de usinagem

  2. Amolecimento durante processo

  3. Solda do material polimérico no ferramental de corte

  4. Quebras frágeis

  5. Forma do cavaco

  6. Lead Time

  7. Dimensional da peça após usinagem



Para que o teste não se tornasse empecilho para a produção, foi proposto uma adaptação. A lateral da placa modelo ganhou um rebaixo onde foram fixados por parafusos os corpos de prova, sendo uma maneira de testar os polímeros nas mesmas condições dos modelos reais sem que interfiram na programação do setor de fundição. Ou seja, as amostras foram acopladas às placas da DISA (equipamento de compactação da areia de fundição) de um modelo qualquer, sem que este sofra alguma alteração de processamento.





Fig.2 – Corpos de prova (1 a 4) fixados na placa modelo esquerda



Fig.3 – Corpos de prova (5 a 7) fixados na placa modelo direita


Amostra

Material

1

PU Vermelho

2

Alumínio

3

PU Amarelo

4

PA 6,6

5

POM

6

PA 6G

7

PU Verde


Tabela 4 – Identificação das amostras

2.2.2 Etapa 2 - Modelagem

A areia de fundição é descarregada sob pressão na parte superior da placa modelo (figura 4) e o principal fator de desgaste é a erosão causada pelo choque dos grãos de areia com o material. Quando toda a cavidade entre placas for preenchida, o dispositivo é então acionado e as placa se movimentam uma contra a outra como na figura 5. Nesse momento os materiais poliméricos sofrem desgaste por abrasão, tanto na compactação, quanto no momento da extração. Repetindo esse ciclo (sopros), os resultados do desgaste começam a ser revelados.




Fig.4 – direção e sentido da vazão de areia de fundição


Fig.5 – Direção e sentido de compactação/extração das placas.

Com relação à modelagem, foram avaliados os seguintes parâmetros:





  1. Arranhões, riscos, quebra, formação de chanfros nas amostras

  2. Qualidade do negativo

  3. Amolecimento do CP

  4. Deformação do CP

  5. Dimensional após sopro

  6. Desmoldagem

  7. Expectativa de produtividade

O conceito de um bom modelo de fundição está vinculado à inalterabilidade dimensional ao longo do tempo. Isso é, o modelo deve suportar as condições abrasivas da areia de fundição sem que haja alterações geométricas na peça. Desta forma o teste em prática se torna indispensável para esses materiais.



2.2.3 Etapa 3 - Custos

Por último tem-se a avaliação do custo da matéria prima, da fabricação dos corpos de prova assim como a viabilidade de formas de fornecimento como tarugos, chapas e perfis. Foi realizada cotação de preços de diferentes empresas e posto em comparação em tabelas para melhor visualização. A maneira mais adequada de se comparar preços, neste caso, é através do preço por Kg do material.

A avaliação do custo para fabricação de modelos com esses materiais é comparativa. O material que apresenta maior facilidade de fabricação dos corpos de prova tende a apresentar menor custo de processamento. A facilidade de usinagem reflete diretamente em redução de tempo de operação e desgaste do ferramental, logo reduzindo gastos.



Tabela 5 – Custo e medidas de fornecimento dos materiais testados

2.3 Controle e acompanhamento do teste

Para facilitar o acompanhamento do estudo de materiais poliméricos para modelos de fundição, foi desenvolvida uma metodologia de qualidade. As três etapas (usinagem, modelagem e custo final) foram avaliadas por pontuação. Dentro de cada uma das etapas foi avaliado ainda critérios diversos que receberam notas variando de 1 (ruim) até 5 (excelente). Essa metodologia define qual material teve melhor desempenho ao longo e ao final do teste.

No processo de usinagem os critérios analisados e pontuados foram as operações de desbaste, fresagem, torneamento, corte, polimento (acabamento superficial), tempo de operação (Lead Time) e o dimensional da peça. A nota parcial relativa à usinabilidade é a média aritmética da pontuação de cada critério para cada material. O preenchimento da tabela foi feito pelo operador, que pontuou de acordo com a facilidade ou dificuldade encontrada para cada ação.

O passo seguinte foi avaliar o aspecto “modelagem” desses materiais. Nessa etapa os critérios de avaliação foram a resistência à abrasão, a facilidade de desmoldagem, a resistência à quebras, empenamento e perspectiva de vida útil das peças. Nesse caso, a avaliação foi feita pelos responsáveis do setor de modelos, que pontuaram os critérios a partir dos resultados obtidos. Os corpos de prova foram avaliados periodicamente e só receberam pontuação final após o término do teste.

A principal finalidade do estudo é reduzir o custo dos modelos de fundição através da utilização de novos materiais poliméricos. Nesse sentido, a avaliação do custo de usinagem e custo de matéria prima constituíram o terceiro, e último, aspecto de avaliação.

Após determinadas as notas parciais, foi possível concluir qual material apresentou melhores resultados. A nota final de cada material, portanto, foi constituída pela média das notas parciais, considerando que a nota parcial da usinagem recebeu peso um, a nota da modelagem recebeu peso dois e o custo recebeu peso três.

P
O acompanhamento periódico irá fornecer informações de como os corpos de provas estão reagindo à ação da erosão e abrasão da areia de fundição. Os resultados da análise serão em forma de gráficos de circularidade, comprovando se há regiões de maior desgaste ou se o corpo de prova está sofrendo desgaste homogêneo em todas as faces e em toda sua extensão.
ara acompanhar o desgaste das amostras poliméricas foi necessário realizar freqüentes avaliações dimensionais. As análises foram feitas a partir do diâmetro externo dos corpos de prova em três alturas distintas, à 5, 15 e 30 mm da base da placa modelo.



Fig. 6 – Posição de análise

Serão três gráficos para cada amostra nas alturas mencionadas (5,15 e 30mm da base). A interpretação dos gráficos, ao longo do ensaio, será de grande valia para prever a resistência ao desgaste e a expectativa de vida útil dos materiais testados.


2.4 Resultados





Tabela 6 – Planilha de acompanhamento do teste


Diâmetro externo à 5 mm da base


Fig. 7- Exemplo do gráfico de circularidade para amostra 1

De forma geral, as amostras poliméricas se comportaram de maneira semelhante no processo de usinagem. O tempo de operação medido para cada corpo de prova foi aproximadamente o mesmo, demonstrando grande facilidade na operação. Apenas os corpos de prova de PU apresentaram tendência à quebra frágil, visto que esse material não é auto-lubrificante e por se tratar de uma resina polimérica seca. O POM, corpo de prova 5, apresentou ótimo acabamento superficial e ótima usinabilidade. Os corpos de prova 4 e 5, nylon 6,6 e nylon 6G respectivamente, apresentaram rebarbas que acarreta em pior qualidade de acabamento, logo menor perspectiva de produtividade.


No quesito modelagem, não houve ocorrência de quebras, amolecimento e deformações nos corpos de prova devido à simplicidade da geometria das peças. A qualidade do negativo impresso na areia fundição também foi semelhante pelo mesmo motivo.

O material que apresentou maior facilidade de desmoldagem foi o POM, pela sua alta lubrificação somada à baixa rugosidade da superfície. A partir da sobreposição dos gráficos de circularidade foi possível constatar que o desgaste nos corpos de prova 1, 3 e 7 (Poliuretanos) foi mais intenso frente às outras amostras.


2.5 Conclusão
O poliacetal (POM) foi o material que apresentou melhores resultados tendo como referência o alumínio. Facilidade de usinagem, baixo custo de matéria prima, diversidade de formas de fornecimento, ótimo acabamento superficial e boa produtividade são características apresentadas pelo corpo de prova ao longo do teste. Desta forma, o POM é uma alternativa muito atraente para confecções de modelos de baixa produtividade, gerando economia de tempo, de gastos com ferramental e tempo de operação.

O teste foi bem aceito pela equipe de modelos, tanto que as amostras ainda permanecerão acopladas às placas modelo para avaliação mais precisa da análise dimensional, que necessita grande quantidade de medidas (gráficos de circularidade).


3. Aprimoramento da ferramenta de inserção de fio de cobre
A lamela constitui um componente importante na bobinagem dos fios de cobre. Devido a sua geometria desfavorável, a ferramenta sofre desgaste excessivo e apresenta eventuais quebras da lábia. Em ambas situações a ferramenta é descartada sem possibilidade de recuperação.


Lábias da lamela








Fig. 8 – Representação da secção da lamela de bobinagem

O foco do trabalho com as lamelas de bobinagem visa o aprimoramento e otimização da ferramenta, aumentando sua vida útil, melhorando os índices de produtividade com a redução do setup (tempo morto de substituição de ferramentas desgastadas ou quebradas).

O plano de ação desenvolvido para melhoria do processo e da ferramenta envolve alguns aspectos técnicos e de engenharia, que juntos direcionam os estudos focando resultados concretos e positivos. Desta forma, é indispensável documentar fielmente mudanças no processo de fabricação das lamelas, testar novos materiais e tratamentos térmicos, definir o melhor revestimento superficial para a ferramenta de inserção (redução do coeficiente de atrito e aumento calculado de dureza), ajustar o processo de retífica e polimento e, por fim, definir a melhor estrutura de manutenção, armazenamento e procedimentos fabris.

Muitos materiais foram testados na fabricação das lamelas e na maioria das vezes apresentando resultados não satisfatórios. A ferramenta, quando não quebrava, apresentava alto índice de desgaste da lábia. A geometria da ferramenta é desfavorável. A parede da lábia é fina e definir um material ou revestimento superficial que promova tenacidade e dureza à lamela é um grande desafio. De fato, determinar o equilíbrio entre essas duas características é objetivo principal do estudo.




3.1 O material

O material que apresentou melhores resultados ao longo desses anos de análises foi o aço Vidar Superior fornecido pela empresa Uddeholm.





Elemento químico

C

Mn

Si

Cr

Mo

V

%

0,36

0,30

0,30

5,00

1,30

0,50


Tabela 7 – Composição química do aço Vidar Superior


Fig. 9 – Diagrama CCT do aço
O Vidar Superior é um aço ao Cr-Mo-V para trabalho a quente de elevada pureza e de estrutura homogênea. De acordo com o fabricante, o material tem elevada resistência ao choque e fadiga térmica, boa resistência a elevadas temperaturas, excelente tenacidade e ductilidade em todas as direções e excelente estabilidade dimensional durante revenimento.


Material

Resistência à fadiga térmica

Tenacidade

Resistência ao desgaste

Resistência ao revenimento

Usinabilidade

Estabilidade dimensional

Vidar Superior

xxxx

xxxxx

xxxx

xxx

xxx

xxxx


Tabela 8 – Resumo de propriedades do aço Vidar Superior

3.2 Proposta de melhoria

Como alternativa e com o intuito de ampliar a vida útil das lamelas de bobinagem, tem-se os revestimentos superficiais, que promovem uma cobertura lisa, de alta dureza, resistente ao desgaste e à corrosão. O revestimento mais apropriado para aplicação nessas ferramentas é o níquel-químico.

Uma deposição química consiste na deposição de metais por meio de um processo de redução química. Por este processo é comum revestir superfícies com cobre e níquel. São os denominados cobre e níquel químicos, muito utilizados em peças com formato delicado e cheias de reentrâncias.

O níquel químico, em especial, é um tipo de revestimento que aumenta a resistência à abrasão e corrosão e que não requer corrente elétrica, retificadores ou ânodos para que ocorra a deposição do metal. A deposição da liga se dá através da reação química ou auto-catalítica entre os agentes dissolvidos (Sulfato de Níquel + Hipofosfito de Sódio) em solução aquosa onde a peça é mergulhada. Todas as superfícies da peça quando imersas na solução aquosa de níquel serão revestidas com camadas totalmente uniformes da liga de níquel-fósforo, independente da forma geométrica que possuam.

Para auxiliar a resistência ao desgaste das peças ainda é indicado a utilização do níquel químico lubrificado (Níquel-lub) oferecido pela empresa Super Finishing do Brasil. Trata-se da aplicação conjunta de um redutor de atrito (dissulfeto de tungstênio) com níquel químico. Essa combinação de componentes (camada controlável entre 2 e 150µm) acrescenta à dureza natural do níquel químico, um baixo coeficiente de atrito (0,03), resultando em grande redução do desgaste e uma extraordinária resistência a escoriações e engripamentos, somando-se a alta resistência à corrosão sem alterar as características do material base e com total aderência ao substrato.

O Níquel-Lub mantém o acabamento original da superfície onde está aplicado, é totalmente atóxico, não corrosivo, não contaminante e compatível com todos os tipos de óleos e graxas, potencializando a ação.





Revestimento

Processo

Dureza (HRC)

Substrato

Espessura camada

Níquel químico lub

Auto-catalítico (mergulho em solução)

Máx. 68

Ferrosos e não ferrosos

2µ a 150µ


Tabela 9- Características do revestimento


Vantagens

Desvantagens

Auto-lubrificante; desmoldante; camadas uniformes dispensando posterior retífica ou usinagem; controle da espessura da camada; baixíssimo coeficiente de atrito; peças complexas; aceita tratamento térmico; recuperação dimensional; resistência à corrosão e mecânica e possibilidade de remoção da camada.

O depósito acompanha as imperfeições do material base não recobrindo poros (ocasiona menor resistência a corrosão em materiais porosos); limitação de tamanho das peças (máx.1000x1500mm); exige descrição completa do material base (evitar contaminação no banho), tratamento térmico terceirizado, revestimento em toda a peça.


Tabela 10 – Vantagens e desvantagens do níquel químico lub

As melhores propriedades serão alcançadas se utilizado o níquel químico de médio fósforo (5-9%), que é mais indicado para peças que serão submetidas ao desgaste e condições abrasivas.

Após o banho auto-catalítico é necessário tratamento térmico para melhorar a coesão das partículas e para endurecimento da superfície. Trata-se de uma têmpera à 400°C durante duas horas. Como a temperatura de revenimento do aço Vidar Superior é acima de 400°C não havia problema algum em aplicar o processo. A camada depositada apresenta dureza próxima à 68 HRc e livre de tensões residuais.

Outra característica marcante do revestimento Níquel-Lub é a capacidade de remoção da camada. Quando a ferramenta apresentar algum sinal de desgaste ou lascamento, é possível reverter o processo de deposição. A camada é removida pelo mesmo princípio de auto catálise, e novamente depositada. Desta forma a ferramenta estará pronta para um novo ciclo de funcionamento. Muitos processos de revestimento como o PVD (physical vapour deposition), via aspersão térmica e por banhos eletrolíticos não contemplam essa vantagem e acabam inutilizando a ferramenta sem possibilidade de retifica quando desgastada.

Dentre os tipos de revestimentos para ferramentas existentes no mercado atual, o níquel químico lubrificado apresenta o custo mais acessível e atraente. A única tecnologia envolvida é a solução de agentes catalíticos não havendo necessidade de maquinário e processos complexos.

O custo para se revestir um jogo de 36 lamelas é de R$ 360,00, ou seja, R$10,00 por lamela. Esse valor representa, aproximadamente, de 10 a 20% do preço dos revestimentos concorrentes e testados anteriormente. De acordo com a empresa terceirizada, quanto maior a quantidade de peças para revestimento, o preço ainda pode baixar, trazendo mais economia para o Setor de Ferramentaria.




3.4 Resultados

Quatro jogos de lamelas foram selecionados para realização dos testes práticos. Um jogo é da ferramenta para centro de bobinagem Statomat RWE 2A (posições 001 e 002) com monitoração da força de inserção. O outro teste será aplicado ao ferramental convencional N56 II SE130 (posições 028 e 030), relativo a motores com alto enchimento, porém sem sistema de monitoramento da força de inserção. Ao todo foram fabricadas 80 lamelas (20 de cada tipo) para realização dos testes.

Aparentemente, o revestimento Níquel-Lub criou uma camada uniforme e com alta lubricidade nas lamelas selecionadas comparado aos revestimentos testados anteriormente como o nitreto de alumínio cromo (nACRo) via processo PVD. O número de inserções das ferramentas revestidas com nitreto de alumínio cromo revelou bom índice de produtividade, o problema é o alto custo do processo de deposição, sendo um revestimento impróprio para a fábrica.



 

 

Número de Inserção

Quebras da ferramenta

Mês

Setembro

4317

0

Outubro

6946

0

Novembro

5559

1




Total

16822

1

Tabela 11 – Total de quebras do ferramental revestido


3.5 Conclusão

A combinação do aço Vidar Superior com revestimento Níquel-Lub para a fabricação das lamelas de bobinagem tende a aumentar a resistência ao desgaste da ferramenta pelo fato de reduzir bruscamente o coeficiente de atrito da superfície revestida. As propriedades do aço Vidar Superior são fundamentais para o bom funcionamento do processo de bobinagem, que exige do material tenacidade e dureza.

O teste com o revestimento Níquel-Lub é direcionado, isto é, só trará benefícios para a fábrica. Basta saber quanto maior será a vida útil das lamelas. Para obtenção de resultados concretos é necessário, e inevitável, acompanhar o desempenho do ferramental em ação, o que requer longo tempo.

4. Análise de falha em rolos de laminação


Os problemas com os rolos de laminação é um assunto que se prolonga na WEG motores, filial de Itajaí. Ao longo do tempo foram realizadas análises de falhas em inúmeros rolos laminadores que apresentam, em sua maioria, fragilização decorrente de corrosão e excessivo desgaste causando ruptura prematura em serviço.

As variáveis para as possíveis causas desses problemas estão vinculadas ao armazenamento dos rolos quando não estão em uso, manuseio do ferramental, dimensionamento do projeto, acabamento superficial (rugosidade), regulagem e calibração das máquinas, ao tipo e quantidade de óleo lubrificante (emulsão), esforço excessivo da ferramenta e material base em que eles são fabricados.

Em análises realizadas juntamente com o laboratório de pesquisa e desenvolvimento da empresa foi constatada corrosão por pitting nos rolos causando arrancamento de material e podendo originar trincas que levam a falhas catastróficas. Desta forma, um acompanhamento da emulsão foi necessário para se compreender melhor as causas desse tipo de corrosão.

O teor de cloretos encontrados na água de Itajaí é elevado, chegando a apresentar o dobro do valor encontrado na água de Jaraguá do Sul. A presença desses cloretos torna o ambiente agressivo e susceptível ao fenômeno de corrosão. O pH da água de Itajaí é ligeiramente mais ácido que o da água de Jaraguá, o que também auxilia na corrosão das peças. Em alguns rolos produzidos em metal duro, a emulsão causou lixiviação do cobalto, criando poros e fragilizando a ferramenta.

O manuseio e estocagem do ferramental, assim como a regulagem das máquinas têm grande influência no comportamento do material. Sobrecarga e baixa rugosidade da superfície são aspectos negativos do processo de laminação, uma vez que a força propulsora da operação é causada pelo atrito da ferramenta com o cobre. Caso o atrito não seja suficientemente adequado, a ferramenta patina e não consegue laminar o cobre. Essa situação provoca na ferramenta alto desgaste e redução considerável de sua vida útil.

O fato de haver uma série de fatores prejudiciais para o bom funcionamento da ferramenta faz o material base carregar uma imensa responsabilidade. O material não deve ter a função de encobrir defeitos de processamento, mas sim se adequar às necessidades ocasionais.



4.1 Estudo de caso

Existem na fábrica dois tipos de rolos de laminação, um maciço e outro composto por um anel acoplado a uma base metálica. Nesse estudo de caso será apresentado um defeito corriqueiro em anéis dos rolos de laminação fabricados em aço VC-131 que sofreram ruptura prematura.


4.1.1 O material

O aço AISI D6, titulado VC-131 pela empresa Villares Metals, é recomendado para trabalho a frio e tem como características principais a alta estabilidade dimensional e excelente resistência ao desgaste quando em contato com agentes abrasivos.




Elemento químico

C

Cr

W

V

(%)

2,10

11,5

0,70

0,15


Tabela 12 – Composição química do aço VC-131
O carbono é o principal elemento de liga no aço. Por definição, “aço é a liga ferro-carbono, contendo geralmente entre 0,008 à 2,0% do peso em carbono” . O carbono encontra-se combinado com o ferro formando a cementita, cuja fórmula é Fe3C. Enquanto que o ferro puro é bem maleável, a cementita é dura. Portanto, pode-se dizer que a principal propriedade conferida ao aço pelo carbono é a dureza. Altos teores de carbono aumentam o limite de resistência à tração e a temperabilidade, mas diminui a tenacidade e soldabilidade. O Cromo é um elemento que favorece a formação de carbonetos em um aço. Por conseguinte, aumenta a dureza e a resistência à corrosão e à tração. Esse elemento aumenta a resistência ao desgaste quando junto ao alto carbono, como no caso do Aço Vc-131.

O tungstênio é um grande formador de carbonetos, criando partículas duras e resistentes ao desgaste dos aços ferramenta, além de manter durezas elevadas em alta temperatura.

Por fim, o último elemento constituinte do aço Vc-131 é o vanádio. Pequenas adições de vanádio aumentam a dureza a quente e diminuem o tamanho de grão. Grãos mais refinados conferem maior dureza aos aços. Do ponto de vista de formação de carbonetos, o vanádio substitui o molibidênio e o tungstênio em proporções percentuais pequenas.

A combinação desses elementos faz o aço Vc-131 ser apropriado para utilização em rolos de laminação. Alta dureza combinada com tenacidade, resistência ao desgaste e corrosão tornam, na teoria, uma opção viável para produção da ferramenta.

O aço VC-131 é fornecido recozido com dureza aproximada de 250 HB e é recomendado alívio de tensões após usinagem e antes da têmpera. O alívio de tensões é necessário em peças com gravuras e perfis, nas quais a retirada de material tenha sido superior a 30%, a fim de minimizar as distorções durante a têmpera. O procedimento de alívio deve envolver aquecimento lento até temperaturas entre 500 e 600 ºC e resfriamento em forno até a temperatura de 200 ºC. Se aplicado após o trabalho, o alívio de tensões deve ser realizado a uma temperatura 50 ºC inferior a temperatura do último revenimento.

O tratamento térmico de têmpera deve ocorrer em temperaturas entre 950°C e 970°C. Deve-se resfriar as peças em óleo apropriado em constante agitação entre 40°C e 70°C.

As ferramentas devem ser revenidas imediatamente após a têmpera, tão logo atinjam 60 ºC. Fazer, no mínimo, dois revenimentos e entre cada revenimento as peças devem resfriar lentamente até a temperatura ambiente. As temperaturas de revenimento devem ser determinadas conforme a dureza desejada. O tempo de cada revenimento deve ser no mínimo de duas horas.




Fig. 10 – Gráfico de revenimento para o aço VC-131

4.1.2 Análises estruturais





Fig. 11 – Amostra serrada da região da fratura frágil.
De antemão já é possível constatar que apenas uma região da ferramenta apresenta desgaste, ou seja, a laminação do cobre é realizada somente na extremidade da ferramenta. Nesta configuração, o anel trabalha de forma desalinhada criando tensões desproporcionais no material e também na máquina.

Com o auxilio de um microscópio óptico foi possível observar a superfície da peça com maior detalhe para análise. Foram feitas então duas ampliações (100x) da superfície da peça. Uma na região não desgastada (ponto 1) e outra na região mais solicitada (ponto 2). O importante é registrar e identificar eventuais defeitos superficiais dos anéis de laminação.

Analisando a secção transversal da peça foi notada a presença de cobre na estrutura do aço. A penetração ocorreu exatamente na região de desgaste da ferramenta.

Fig. 12 – Secção transversal da peça
De fato, a microestrutura do material revela causas de falhas e a forma com que ocorreu a fratura. Uma análise microestrutural é fundamental para que se possa determinar o motivo da perda da ferramenta.


4.2 Resultados

O resultado das ampliações da superfície está registrado nas figuras 13 e 14. As figuras 15 e 16 são ampliações (500x com ataque nital 3%) da secção de fratura na região central e na superfície para análise da microestrutura do aço.



Fig .14 – Ampliação da região desgastada (ponto 2)


Fig.13 – Ampliação da região não desgastada (ponto 1)








Fig. 15 – Microestrutura do núcleo Fig. 16 – Microestrutura próxima à superfície

4.3 Conclusão

A região desgastada da ferramenta apresenta inúmeras microfissuras na superfície quando comparada com a região não desgastada. Com o uso da ferramenta essas trincas se propagam tanto no sentido longitudinal quanto para o centro da ferramenta. A causa da fratura frágil ocorrida no anel do rolo de laminação é uma combinação de trincas superficiais oriundas do desgaste com a fadiga da compressão na laminação do cobre.

É facilmente observado que a superfície de fratura segue o formato das trincas superficiais como mostrado na figura 17, evidenciando não ser um problema de material, mas relativo ao modo de uso da ferramenta.



Fig. 17 – Região de inicio da trinca crítica
A microestrutura (fig. 15 e 16) apresenta-se martensítica tanto no centro quanto na superfície da peça. Essa estrutura é proveniente do tratamento térmico de têmpera a qual a ferramenta é submetida. Não há presença de pontos de fragilização como poros e austenita retida. A presença de carbonetos primários e secundários é absolutamente normal para a microestrutura do aço VC-131.

Outro fator importante de análise é a forma de acoplamento do anel com a base metálica. O conjunto é montado por interferência, ou seja, o diâmetro interno do anel é menor que o diâmetro externo da base metálica, e qualquer desvio de dimensão terá grandes repercussões na forma de trabalho e durabilidade da ferramenta. O anel, antes da montagem, é aquecido até a temperatura de 120°C, logo sofre dilatação. O conjunto é então montado. O resfriamento do anel é responsável pela acomodação junto à base metálica e por manter a interferência determinada.

Desta forma, o anel fica sob tensão, o que é perigoso. Qualquer trinca gerada na superfície pode ocasionar fratura frágil devido a essa tensão somada com a compressão no ponto de conformação do cobre. Tensões compressivas geram tensões trativas perpendiculares à aplicação da força, e qualquer ponto de fragilização pode ocasionar a propagação da trinca causando a ruptura do anel.

Para garantir a eficiência do processo de laminação e trefilação dos fios de cobre é necessário reorganizar e revisar procedimentos, parâmetros, treinamento e avaliação, tendo como principal objetivo reduzir variáveis que causam defeitos. Somente desta forma, a escolha do melhor material para fabricação do ferramental poderá ser otimizada, gerando maior produtividade e reduzindo custos com reposição e recuperação das peças.

5. Conclusão
A oportunidade de estagiar na WEG S/A é de grande importância para a formação profissional de um futuro engenheiro. O contato direto e diário com o processo produtivo de uma empresa proporciona a possibilidade de colocar em prática os conhecimentos adquiridos em literaturas e também de aperfeiçoá-los. O futuro profissional de engenharia de materiais deve ter uma visão ampla sobre mercado de trabalho, relações profissionais, processos e procedimentos, e o estágio é uma forma concreta desses objetivos serem alcançados.

A realização do estágio no Departamento de Ferramentaria proporcionou a aquisição de novos conhecimentos sobre projetos, tratamentos térmicos, revestimentos superficiais, componentes e construção de máquinas, relacionamento com fornecedores e maior contato com propriedades intrínsecas dos materiais.

A estrutura oferecida pela empresa para realização dos trabalhos é ampla e completa. Equipada com laboratórios e profissionais qualificados, a empresa possui meios para que a engenharia de materiais atue no sentido de melhoria em ferramental e análise de falhas. O laboratório realiza os pedidos de análise química, estrutural, de composição, propriedades mecânicas e térmicas. Os resultados dos ensaios realizados são de extrema confiabilidade e facilitam na conclusão dos problemas.

Cada vez mais, a necessidade de dispor de um profissional da área de materiais no mercado aumenta. O estágio é uma maneira de elucidar a importância dessa profissão, pois os trabalhos realizados visam redução de custos, aprimoramento de processos e componentes, redução de tempo de operação e consultoria de projetos. Todos esses fatores são essenciais para bom andamento empresarial.



6. Bibliografia

[1] CHIAVERINI, Vicente, Aços e Ferros Fundidos. 7ª Edição. São Paulo. Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais, 2005.


[2] ASM Handbook. Volume 1 - Properties and Selection: Irons, Steels and High Performance Alloys, ASM- The American Society for Metals, 10th. Edition, 1990.
[3] UDDEHOLM, Vidar Superior, aço para trabalho a quente. Informativo Técnico. Edição 1, 2006.
[4] VILLARES INDÚSTRIAS DE BASE S.A, Aços Para Ferramentas: Aços Para

Trabalho a Frio. Catálogo. São Paulo, 1999.
[5} LIMA, Carlos C. Aspersão Térmica: Fundamentos e Aplicações. 2ª Ed. São Paulo; Artliber, 2007
[6] FERRARESI, Dino. Usinagem dos Metais – Fundamentos da Usinagem dos Metais, São Paulo, Edgard Blücher, 1982.
[7] COLPAERT, H., Metalografia dos Produtos Siderúrgicos Comuns, 3ª Edição, Editora Edgard Blücher, São Paulo, 1974.
[8] SOUZA, Sérgio. Ensaios Mecânicos de Materiais Metálicos: Fundamentos Teóricos e Práticos. Editora Edgard Blücher Ltda, 5ª edição. São Paulo, 1982.
[9] CALLISTER, Willian. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. Editora LCT, 5ª edição. Rio de Janeiro, 2002.
[10] CANEVAROLO, Sebastião V. Jr.; Ciência dos polímeros – Um texto básico para tecnólogos e engenheiros. Editora ArtLiber. São Paulo. 1ª Edição. 2002.

Sites acessados – setembro a dezembro de 2009
www.weg.net

www.cimm.com.br

www.superfinishing.com.br

www.ogramac.com.br

www.platit.com.br

www.vedax.com.br

www.hard.com.br

www.gbsolucoes.com.br

www.anodizar.com.br
7. Anexo A – Histórico
A WEG foi fundada em 16 de setembro de 1961 pelos senhores Werner Ricardo Voigt, Eggon João da Silva e Geraldo Werninghaus, e foi inicialmente chamada de Eletromotores Jaraguá. Anos mais tarde a empresa ganhou nova razão social e passou a ser chamada de Eletromotores WEG S/A, junção das iniciais dos três fundadores.

A trajetória da empresa ao longo destes anos é marcada pelo êxito. Maior fabricante latino americana de motores elétricos e uma das maiores do mundo, a WEG atua nas áreas de comando e proteção, variação de velocidade, automação de processos industriais, geração e distribuição de energia, tintas e vernizes industriais.

A produção da WEG se divide por oito parques fabris localizados no Brasil (Guaramirim- SC, Blumenau-SC, Gravataí-RS, São Bernardo do Campo-SP, Hortolândia-SP, Manaus-AM e dois em Jaraguá do Sul-SC), três na Argentina, um no México, um em Portugal e um na China, além de 18 filiais e presença em mais de 100 países no mundo.

Produzindo inicialmente motores elétricos, a WEG começou a ampliar suas atividades a partir da década de 80, com a produção de componentes eletroeletrônicos, produtos para automação industrial, transformadores de força e distribuição, tintas líquidas e em pó e vernizes eletro-isolantes. Cada vez mais a empresa está se consolidando não só como fabricante de motores, mas como fornecedor de sistemas eletroeletrônicos industriais.

Em 1991, é implantado o Programa WEG de Qualidade e Produtividade, consolidando o processo da administração participativa. Boa parte dos resultados obtidos com este programa influencia diretamente a vida na cidade, uma das formas mais visíveis é a distribuição de lucros aos colaboradores.

Com mais de 22 mil colaboradores espalhados pelo mundo, a empresa conta também com o Centroweg, uma escola técnica que atua na formação nas áreas de mecânica, eletrônica, elétrica, mecatrônica e química, para menores. O Centroweg foi criado em 1968, com o intuito de suprir a falta de mão de obra na área de mecânica. Hoje é um incentivo ao profissionalismo e ao futuro dos jovens de Jaraguá do Sul – SC.



8. Anexo B – Cronograma de Atividades




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