Cabecote Divisor

Escola Superior de Tecnologia e de Gesto Instituto Politcnico de Bragana

Projecto de 3Ano Cabeote universal semi-automtico

Bragana, 2004/2005

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ndiceResumo Abstract 1. Introduo1.1. Motivao 1.2. Situao histrica 1.3. Mercado 1.4. Descrio e organizao do trabalho1 2 3 3 4 4 6 8 9 11 11 11 12 13 13 13 14 15 16 17 17 19 19

2. Processos de desenvolvimento2.1. Critrios de seleco

3. Concepo e dimensionamento3.1. Formulao e dimensionamento3.1.1. Transmisses hidrostticas 3.1.2. Transmisso do motor 3.1.3. Toro do veio3.1.3.1. Veio sem furaco 3.1.3.2. Veio com furaco

3.1.4. Rolamentos 3.1.5. Fadiga 3.1.6. Corte e esmagamentos 3.1.7. Engrenagens3.1.7.1. Transmisso de potncia 3.1.7.2. Movimento horizontal 3.1.7.3. Movimento vertical

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3.1.8. Tolernciamento

20 21 22 24 25 27 28 29 29 29 31 32 33

3.2. Parmetros de concepo 3.3. Peas a adquirir no mercado 3.4. Peas a fabricar 3.5. Sequncia de montagem

4. Produto final4.1. Etapas concludas 4.2. Etapas futuras4.2.1. Etapas fundamentais para o funcionamento 4.2.2. Etapas de desenvolvimento para outras opes

5. Caractersticas do cabeote 6. Concluso 7. Captulo tcnico7.1. Parte I Anlise dos componentes, dimensionamento e tabelasOrganigrama funcional Excluses e decises do organigrama funcional Esquema lgico dos circuitos hidrulicos Folhas de clculos para anlise e dimensionamentoTransmisses hidrostticas Engrenagens Transmisso do motor Rolamentos Toro do veio Fadiga do veio Corte e esmagamento das chavetas Tolernciamentos Cabeote divisor universal (formulao e tabelas)


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7.2. Parte II Desenhos tcnicos dos componentesListagem e referncias dos componentes do cabeote Desenhos de definio (desenhos individuais dos componentes) Desenhos de definio (desenhos de montagem)Prato de 2 grampos Prato de 3 grampos Prato de 4 grampos Prato desandador Cabeote montado Cabeote em perspectiva explodida

8. Bibliografia 9. Apndice Observaes dos construtores dos componentesRetentores Rolamentos Equipamentos hidrulicosVlvulas normais e de solenide Motor hidrulico Cilindros hidrulicos

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ResumoEste relatrio, refere-se aos aspectos e etapas de dimensionamento utilizadas, de um cabeote semi-automtico. So apresentados tambm todos os desenhos tcnicos de construo mecnica, empregues para a construo. Este cabeote controlado por um sistema electro-hidrulico tem por objectivo substituir os cabeotes divisores actuais, que so totalmente manuais e de uso complexo. Relativamente ao mercado existente, este um produto vocacionado para aplicaes em indstrias metalomecnicas, apresenta alta qualidade e proporciona o desenvolvimento de mquinas ferramentas menos desenvolvidas. Este apresenta um fcil acoplamento, simplicidade de funcionamento e elevado rendimento em termos energticos e de economia de tempo. Para a sua construo, 57 % dos componentes so de caractersticas normalizadas e os restantes 43 % tero de ser maquinados, embora todos susceptveis de aquisio no mercado.


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AbstractWe report the project of a semi-automatic mill head. Technical drawings for the construction of the mill head are also presented. The control system is semi-automatic and managed by an electro-hydraulic system and is intended to replace traditional manual mill heads. This product aim traditional metal shops to increase the quality of the machinery within the shop. With an easy coupling and simplicity, it represents savings in manufacturing and energy consumption. For the construction of the mill head, 57% of the components are standard and 43% will have manufactured.


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1. IntroduoEste trabalho visa o dimensionamento de um cabeote semi-automtico de controlo elctro-hidrulico. Considere-se que tem um forte interesse na indstria metalomecnica e derivadas, visto que ainda no existem no mercado nenhuns equipamentos semelhantes. Pretende-se com este equipamento modernizar este tipo de indstria, proporcionando mais rapidez, preciso e menor custo de produo. Este um equipamento verstil e de multi-funes, podendo proporcionar a substituio dos cabeotes universais divisores existentes. Vistos estes serem de funcionamento totalmente manual, complexos e muito lentos no fabrico de peas.

1.1. Motivao:Este tipo de equipamento visa substituir os divisores universais, podendo assim em certa parte modernizar mquinas ferramentas de uso convencional, e transform-las em equipamentos de comando numrico. O cabeote CNN est vocacionado para fresadoras, podendo tambm ser aplicado em tornos, furadoras, plainas, escateladoras e rectificadoras. Na a sua construo, so empregues 108 componentes distintos, dos quais 57 % so de caractersticas normalizadas e os restantes 43 % tero de ser maquinados. A construo deste equipamento pretende-se utilizar o maior nmero possvel de equipamentos normalizados, conduzindo assim a um menor custo (boa optimizao). Por exemplo, actualmente para se maquinar uma engrenagem de n dentes, ou efectuar uma diviso de um veio em x partes, tem que se seguir obrigatoriamente as seguintes etapas, isto utilizando um cabeote divisor convencional: - Determinar o nmero de divises pretendidas; - Efectuar os clculos das divises de acordo a razo do equipamento e prato utilizado; - Proceder montagem do prato de furos adequado, consoante o resultado dos clculos; - Proceder primeira maquinagem, fresagem; - Proceder ao desandamento da manivela do cabeote, em voltas; - Proceder ao avano dos respectivos furos do prato montado no cabeote; - Travar o cabeote na posio pretendida; - Proceder seguinte maquinagem;


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- Assim sucessivamente at estarem maquinados os n dentes ou x divises.

Estes passos tornam-se muito trabalhosos, lentos e dispendiosos, no que toca relao entre o tempo de operao e produto final. Utilizando o cabeote semiautomtico para realizar a mesma tarefa, os passos seriam os seguintes:

- Determinar o nmero de divises pretendidas; - Programar o cabeote; - Proceder primeira maquinagem, fresagem; - Carregar no enter do teclado da consola de controlo do cabeote; - Maquinar novamente; - E assim sucessivamente at estarem maquinados os n dentes ou x divises.

Assim sendo o cabeote semi-automtico, tem boas caractersticas para proceder ao desenvolvimento desta rea, conduzindo assim a uma grande motivao para proceder sua construo, e implanta-lo nas indstrias em causa.

1.2. Situao histrica:Actualmente os cabeotes divisores existentes ainda so os mesmos utilizados 30 ou 40 anos atrs, e os que se adquirem recentemente, mesmo sendo produzidos com as tcnicas actuais, em termos de aspecto, funcionalidade e desenvolvimento so idnticos. Ou seja, utilizar um cabeote recente, apenas tem por objectivo obteno de melhor preciso de fabrico, visto serem ainda novos, mas em termos de desenvolvimento e de aspecto, quem v um cabeote da poca dos anos 50, v os actuais. O seu desenvolvimento estagnou no tempo, no oferecendo resposta s novas tecnologias e tcnicas de fabrico. No Captulo 7/7.1, pode-se consultar toda a formulao deste tipo de cabeotes, bem como tabelas de diviso diferencial aplicveis a este tipo de equipamentos.

1.3. Mercado:Actualmente as oficinas metalomecnicas recentes, j esto totalmente equipadas com a ltima gerao de mquinas ferramentas CNC. Mas este tipo de instalaes requere, assim como as oficinas menos desenvolvidas, a aplicao de mquinasCabeote universal semi-automtico

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ferramentas normais, isto por motivos de construo de certo tipo de peas, e de operaes de maquinagem. Logo este cabeote semi-automtico destina-se a todas as oficinas, e para qualquer tipo de mquina ferramenta em causa, logo que esta justifique este tipo de empreendimento. Na figura 1, apresenta-se um operrio a maquinar numa fresadora, utilizando um cabeote divisor universal corrente. Este pretende fazer uma furao de x furos radiais, numa determinada pea. Na figura 2, apresenta-se um cabeote semelhante, propriedade de um dos laboratrios desta instituio de ensino.

Fig.1: Fresadora a maquinar, utilizando um cabeote divisor universal corrente.

Fig.2: Cabeote divisor universal.


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1.4. Descrio e organizao do trabalho:Este cabeote relativamente aos normais apresenta diversas vantagens, apesar de inicialmente apresentar um custo mais elevado, sendo este na ordem dos 700 (perspectiva). Actualmente no mercado o preo de um cabeote divisor universal ronda os 2900 , e o de um prato divisor aproxima-se dos 2700 . Apesar do cabeote semiautomtico apresentar um custo mais elevado, apresenta-se vantajoso, visto que a discrepncia de preos baixa, e no entanto, o semi-automtico faz as funes de ambos os outros dois. Possibilitando tarefas de fabrico com maior preciso, rapidez, menor custo e com maior facilidade de utilizao. Este trabalho baseou-se no dimensionamento do cabeote semi-automtico referido, o qual requere decises de como processar o desenvolvimento, clculos para o dimensionamento e nestes englobados estudos de fadiga, dimensionamento de rolamentos, transmisses hidrostticas, dimensionamento de engrenagens,

transmisses, anlises de toro dos veios, corte, esmagamentos das chavetas e tolernciamentos, e o estudo do esquema lgico dos circuitos hidrulicos (captulo 7/7.1), a representao de todos componentes do cabeote em forma de desenhos tcnicos de construo mecnica (captulo 7/7.2), e respeitar as sugestes de montagem dos diferentes tipos de construtores dos componentes (captulo 9). Este relatrio transcreve ainda todos os passos de dimensionamento, tolernciamento, paralelismos de montagem, dimenses e outras anotaes dos fabricantes dos componentes (captulo 9). Segundo a localizao, nos captulos 7 e 9 apresentam-se os seguintes parmetros: Parte I Anlise dos componentes, dimensionamento e tabelas: - Organigrama funcional; - Excluses e decises do organigrama funcional; - Esquema lgico dos circuitos hidrulicos; - Folhas de clculos para anlise e dimensionamento: - Transmisses hidrostticas; - Engrenagens; - Transmisso do motor; - Rolamentos; - Toro do veio;Cabeote universal semi-automtico

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- Fadiga do veio; - Corte e esmagamento das chavetas; - Tolernciamentos; - Cabeote divisor universal (formulao e tabelas). Parte II Desenhos tcnicos dos componentes: - Listagem e referncias dos componentes do cabeote; - Desenhos de definio (desenhos individuais dos componentes); - Desenhos de definio (desenhos de montagem); - Prato de 2 grampos; - Prato de 3 grampos; - Prato de 4 grampos; - Prato desandador; - Cabeote montado; - Cabeote em perspectiva explodida. Apndice Observaes dos construtores dos componentes: - Aqui refere-se todas as sugestes dos fabricantes para montagem dos componentes, bem como o tolernciamento, paralelismos de montagem, dimenses e outras anotaes: - Retentores; - Rolamentos; - Equipamentos hidrulicos: - Vlvulas normais e de solenide; - Motor hidrulico; - Cilindros hidrulicos.


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2. Processo de desenvolvimentoPara efectuar este trabalho, foi necessrio realizar o estudo de um grande nmero de componentes, e para tal, surgiram vrios tipos de solues para resolver cada tipo de aplicao. Logo em termos de organizao e facilidade de trabalho, foi necessrio e decidiu-se construir uma rvore de decises qual se chamou organigrama funcional. Neste constam todas as opes de construo para determinadas aplicaes, procedendose de seguida uma anlise pormenorizada de cada uma, e da seleccionar a mais vivel, segundo os critrios construtivos. Este organigrama funcional est captulo 7/7.1, no qual onde tambm se encontram detalhadas todas as excluses efectuadas, assim como as justificaes de tais excluses. Este organigrama para alm de mencionar as excluses, tambm transcreve todas as opes que o comprador tem de fazer, de acordo com o tipo de aplicao a que destina o cabeote semi-automtico. A ttulo de exemplo, apresenta-se um excerto do organigrama funcional, juntamente com a numerao da excluso e respectivo motivo:

Fig.3: Excerto do organigrama funcional.


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Motivos das excluses: 2) Elevado n de rgos e componentes, grande desgaste, maior custo, mais manuteno, maior massa, irreversvel, pouca preciso, propcio a avarias, velocidades de resposta lentas e intermitentes.

3)

Dificuldades de construo devido irreversibilidade, construo cara, desgaste razovel, provoca atravancamento, necessidade de sistema de desengrenamento, necessidade de lubrificao e requere alguma manuteno.

2.1. Critrios de seleco:- Preo; - Fiabilidade; - Caractersticas dimensionais; - Menor nmero de componentes; - Menor probabilidade de avarias; - Menos manuteno; - Menor desgaste; - Caractersticas tcnicas; - Tipo de acoplamento; - Rentabilidade; - etc.

A ttulo de exemplo, apresenta-se uma das decises a que se sujeita o comprador, sendo esta a de determinar se pretende fixao hidrulica ao barramento, ou se a vulgar satisfaz todas as suas condies, utilizando esta, parafusos em T invertido. Este tipo de deciso ilustra-se nas figuras 4 e 5.


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Fig.4: Fixao ao barramento por parafuso em T invertido.

Fig.5: Fixao ao barramento por cilndro hidrulico de fixao.

Mas para alm desta opo existem outras, estas assim como tambm as excluses efectuadas para o dimensionamento do cabeote semi-automtico, podem ser consultadas no captulo 7/7.1.


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3. Concepo e dimensionamentoQuando se pretende dimensionar uma mquina ou um componente desta, a anlise e o dimensionamento envolve um grande nmero de clculos, que por vezes envolvem processos iterativos. Da o processamento dos clculos atravs de folhas de clculo, construdas para esse efeito, facilitando assim o trabalho de dimensionamento. Neste caso, procedeu-se construo de folhas de clculo, o que facilitou bastante a tarefa de dimensionamento, mas mesmo com estas foi, necessrio efectuar clculos analiticamente. De seguida ser apresentada toda a formulao envolvente na construo das folhas de clculo (apresentadas no captulo 7/7.1), formulao e clculos analticos, dedues, imposies e alguns critrios de seleco. Mais adiante falar-se- das peas a adquirir no mercado, das peas a construir e da sequncia prevista para a montagem dos componentes do cabeote semi-automtico. Os desenhos tcnicos de construo mecnica dos componentes do cabeote, assim como toda a listagem destes, encontram-se apresentados no captulo 7/7.2. Inicialmente todo este trabalho comeou por uma simples ideia de construo, passando de seguida a um estudo mais aprofundado, estudo do que se pretendia fazer e das exigncias do mercado e caractersticas requeridas, construo do organigrama, optar pelas opes mais viveis, comear a desenhar e a proceder montagem dos componentes um a um, e assim sucessivamente.

3.1. Formulao e dimensionamento:Visto serem processos iterativos, estes clculos encontram-se actualizados nas folhas de clculo do captulo 7/7.1, seguidamente apenas se apresenta a primeira iterao de desenvolvimento, onde se atriburam alguns valores como sendo constantes, posteriormente sofreram as devidas correces e alteraes nas folhas de clculo.

3.1.1. Transmisses Hidrostticas:Procedeu-se construo da folha de clculo Transmisses hidrostticas, a qual teve por objectivo determinar o comportamento e as caractersticas do motor


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hidrulico, a quando de abaixamentos de presso, caudal, ou outros parmetros intervenientes, relativamente aos dados iniciais, calcular as velocidades dos cilindros hidrulicos no avano e no retrocesso bem como tambm as suas capacidades de carga e energia. A construo desta seguiu a seguinte formulao [4,6,10]:Favano = Acilindro p

Fretrocesso = ( Acilindro Ahaste ) pE entrada = Favano S1

E saida = Fretrocesso S 2

Vavano = Q

Acilindro

Vretrocesso = Q

( Acilindro Ahaste )

3.1.2. Transmisso do motor:Este, aps pesquisa em cabeotes de tornos, teve que apresentar minimamente 5,71 [kW] de potncia e uma rotao superior a 4284 [rpm], da a escolha do motor A2FM size5, que por sinal o mais pequeno desta gama de motores, e que satisfaz bastante bem as caractersticas previstas, debitando este uma potncia de 26 [kW] e uma rotao de 10000 [rpm], o que bastante satisfatrio. Daqui procedeu-se construo da folha de clculo Transmisso do motor, seguindo a seguinte formulao [3,4,11]:

n2 =

n1 z1 z2

W1 =

n130

r1 P1 = r2 P2 r1 W1 = r2 W2 P = M 2 W2


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Assumindo 2% de perdas por atrito e uma razo de transmisso de 1/1,5, determinou-se que o veio principal do cabeote iria estar sujeito a:

n2 = 6533,4[rpm] P2 = 16,98[kW ] W2 = 684,17[rad / s ] M 2 = 24,32[Nm]

3.1.3. Toro do veio:Neste ponto sabendo que o veio teria que permitir passar minimamente no seu interior um varo de ao de 80 [mm], e ainda seria perfurado para passagem do leo hidrulico, dos cilindros hidrulicos dos pratos de fixao. Fez-se uma anlise de toro, a qual se fez contabilizando, e no, a furao para o leo hidrulico, daqui procedeu-se construo da folha de clculo Toro do veio, seguindo a seguinte formulao [4,7]:

3.1.3.1. Veio sem furao:=n D M re = 5,1M 4 i 4 k D d j i =1 i i

Ip = j =

(r 2

4 e

ri 4 =

)

32

(D

4 e

d i4

)

M = G

180

Ipi =1

n

li

i

3.1.3.2. Veio com furao: = 5,1M Di k 4 4 4 i =1 Di d i + d f n

(

)

Ip = j =

(D (d 324 e

4 i

+d4 f

))


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=

180

M G

Ipi =1

n

li

i

Das quais se constatou que contabilizando, ou no, os furos, no havia qualquer divergncia.

3.1.4. Rolamentos:Segundo pesquisa dos rolamentos existentes no mercado, optou-se por um dimetro de veio de 120 [mm], pois era para este dimetro de veio que os rolamentos apresentavam menor dimetro exterior, o que diminuiria as dimenses da caixa do rolamento, e assim o corpo do cabeote. Considerou-se que o veio do cabeote estaria sujeito a um esforo semelhante, ao esforo axial e radial dos tornos convencionais, isto : esforo axial de 8000 [N], e esforo radial de 4800 [N]. Daqui procedeu-se construo da folha de clculo Rolamentos, seguindo a seguinte formulao [3]: P = X Fradial + Y Faxial

C=

P fl fnp

C L10 = L = = a1 a 2 a 3 Ln = a1 a 23 Ln P

Considerando: - Tempo normal de operao (de 2 anos, 24 dias por ms, 8 horas dirias); - Fora axial das engrenagens de 14,26 [N]; - Funcionamento a uma velocidade mdia de 3800 [rpm]; - Probabilidade de falha de 1; - Factor de condies de servio de 4,5Cst; - Temperatura de servio mdia de 50 [C]; - Viscosidade do leo lubrificante de 80Cst a 40 [C].

Determinou-se que a capacidade de carga dinmica do rolamento de 126,88 [kN], e tem uma durao mdia de aproximadamente 20736 [horas].Cabeote universal semi-automtico

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3.1.5. Fadiga:Pode-se definir a fadiga de um metal como sendo um fenmeno de enfraquecimento progressivo de um metal quando este est submetido a cargas dinmicas ou repetidas [8], onde se iniciam fendas nas zonas em que a tenso mxima e nos possveis defeitos internos do material. Visto que o veio principal e as engrenagens de transmisso de potncia do cabeote, esto sujeitas a rotaes ora baixas ora elevadas, a paragens e a arranques sbitos, poderiam ento estes componentes sofrer rotura por fadiga. Assim resultou satisfatrio e de relativa importncia fazer uma anlise de fadiga a estes componentes, procedeu-se ento construo da folha de clculo Fadiga, a partir da seguinte formulao [8]:

3 1,8 4 log c' = log 0,9 r 0,1818

c=

1 1,8 log 4 kr

log( f ) = log c'c log N r f = 10 (log c ' clog N r )

Critrio de Soderberg:

a adm = f 1

a ced

a adm f

toro

a adm

5,1 M t e e4 i4

Considerando: - Acabamentos maquinados; - Tenso de cedncia e de rotura do material de 350 [MPa];


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- Coeficiente de acabamento superficial k S de 0,9; - Coeficiente de tamanho k t de 0,75; - Coeficiente de fiabilidade k f de 0,868; - Coeficiente de temperatura k T de 1; - Factor dinmico de concentrao de tenses K f de 0,85; - Coeficiente de segurana dinmico n de 2.

Determinou-se ento que os momentos flectores mximos, a aplicar nestes componentes de modo a que estes no sofram rotura por fadiga, seria para o veio de 20,3 [kN.m], para a engrenagem mandante (engrenagem do motor) de 19,0 [kN.m] e para a engrenagem mandada (engrenagem do veio) de 26,5 [kN.m]. Vistos os momentos aplicados a estes componentes, serem aproximadamente 0.11 % inferiores aos valores de cedncia. Pode-se ento afirmar que todos estes componentes, nunca iro sofrer rotura por fadiga.

3.1.6. Corte e esmagamento:Esta anlise teve por objectivo saber as tenses de corte e de esmagamento a que estariam sujeitas as chavetas dos veios do cabeote, para que estas possam ser dimensionadas de forma a sofrerem corte com facilidade (chaveta da engrenagem do veio), ou que suportem condies severas, sem que atinjam a rotura por corte. Visto isto procedeu-se construo da folha de clculo Corte e esmagamento, seguindo a seguinte formulao [7]:

corte =

F A F p = A td

esmagamento =

Com base nas expresses anteriores, conclui-se que as tenses de corte e de esmagamento dos vrios tipos de chavetas apresentavam os seguintes valores:


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- Chavetas do veio do motor: - Tenso de corte de 82,33 [MPa]; - Tenso de esmagamento de 633,00 [MPa]; - Chavetas do veio principal: - Tenso de corte de 2,25 [MPa]; - Tenso de esmagamento de 3,00 [MPa]; - Chavetas da engrenagem do veio: - Tenso de corte de 7,96 [MPa]; - Tenso de esmagamento de27,65 [MPa].

3.1.7. Engrenagens:Este estudo teve de ser bastante minucioso, visto que a preciso do cabeote est directamente relacionada com as engrenagens, com o seu tolernciamento e com as possveis folgas a desenvolverem com o funcionamento sucessivo. O cabeote requer trs tipos de engrenamentos:

- Engrenagens de dentado helicoidal para a transmisso de potencia; - Engrenagens de dentado recto e cremalheira para o movimento horizontal; - E engrenagens de dentado recto e cremalheira para o movimento vertical.

Estas anlises tiveram como base a folha de clculo Engrenagens, e um programa desenvolvido em programao Basic. Ambas as ferramentas de clculo mencionadas anteriormente, tiveram como base a formulao que se apresenta de seguida [2,3,11].

3.1.7.1. Transmisso de potncia:As engrenagens desenvolvidas para esta funo so de dentado helicoidal, visto serem menos ruidosas, possibilitarem maiores carregamentos, terem menos desgaste,


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menos propicias a desenvolvimento de folgas e proporcionarem boa preciso. A formulao utilizada para o dimensionamento destas engrenagens a seguinte:

a=

Z1 + Z 2 mt 0 2 Z i mt 0 2

mt o =

m0 Cos 0

Ri =

Rai = Ri + mt 0

p n = m0

pt =

m0 Cos 0 tg 0 Cos 0

Cos t =

tg b tg 0

tg t =

Wnk ' =

2 Ri Sen t Cos b

k=

Z inv 0 Wnk ' i + 0,5 m0 Cos 0

inv 0 = tg 0

0180

Wnk = m0 Cos 0 [(k 1 / 2 ) + Z i inv 0 ]

Com isto determinaram-se as caractersticas das engrenagens do motor e do veio principal. As caractersticas e os parmetros necessrios para a construo destas engrenagens em que o entre eixo toma o valor de a = 217 ,50[ mm ] , so os seguintes: Motor: - m = 3,75 [mm]; - = 20 ; - b = 30 [mm]. Veio: - m = 3,75 [mm]; - = 20 ; - b = 30 [mm]. - Z 2 = 76 [dentes]; - = 20 ; - Z1 = 33 [dentes]; - = 20 ;


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3.1.7.2. Movimento horizontal:As engrenagens desenvolvidas para esta funo so de dentado recto, pois para este tipo de aplicao e por questes construtivas, no era necessrio a aplicao de outro tipo de dentado. Decidiu-se ento aplicar um mdulo de 4 [mm], um passo de 12,57 [mm] e uma altura de dente de 8,6 [mm]. A formulao utilizada para o dimensionamento destas engrenagens a seguinte:

H = h + h'b = (6 a 10)mdp = mZ d e = d p + 2 h'

p = m

d p = d i + (2,3m )

Z=

dp m

Com isto determinaram-se as caractersticas das engrenagens do movimento horizontal. As caractersticas e os parmetros necessrios para a construo destas engrenagens so as seguintes:

- m = 4 [mm]; - H = 8,6 [mm]; - d e = 247,2 [mm]; - Z = 59,8 [dentes]; - d p = 239,2 [mm].

- p = 12,57 [mm]; - d i = 230 [mm];

3.1.7.3. Movimento vertical:Em semelhana com as engrenagens do movimento horizontal, as engrenagens desenvolvidas para o movimento vertical tambm so de dentado recto, pois para este tipo de aplicao e por questes construtivas, tambm era desnecessrio a aplicao de outro tipo de dentado. Decidiu-se ento aplicar tambm neste caso, um mdulo de 4


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[mm], um passo de 12,57 [mm] e uma altura de dente de 8,6 [mm]. A formulao utilizada para o dimensionamento destas engrenagens a seguinte:

H = h + h'b = (6 a 10)mdp = mZ d e = d p + 2 h'

p = m

d p = d i + (2,3m )

Z=

dp m

Com isto determinaram-se as caractersticas das engrenagens do movimento vertical. As caractersticas e os parmetros necessrios para a construo destas engrenagens so as seguintes:

- m = 4 [mm]; - H = 8,6 [mm]; - d e = 88,25 [mm]; - Z = 20,063 [dentes].

- p = 12,57 [mm]; - d i = 71,05 [mm]; - d p = 80,25 [mm];

3.1.8. Tolernciamento:Este estudo teve por objectivo ajustar os vrios tipos de componentes para que estes se acoplassem com folga ou aperto, consoante as aplicaes em causa, normas de montagem e consoante as sugestes dos fabricantes. Para tal procedeu-se construo da folha de clculo Tolernciamentos, seguindo a seguinte formulao [1,5,9]: Furo: Veio:

ES = EI + IT EI = ES ITC max f = CN + ES

es = ei + IT ei = es ITC max v = CN + es


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C min f = CN + EIC max f = C min f + ITf C min f = C max f ITf Tol = C max f C min f = ES EI Ajustamentos:Fmax = C maf f C min v = ES ei

C min v = CN + eiC max v = C min v + ITv C min v = C max v ITv Tol = C max v C min v = es ei

Fmin = C min f C max v = EI esTajustament o = Fmax Fmin = ITf + ITv

Amax = C max v C min f = es EI Amin = C min v C max f = ei ESTajustamento = Amax Amin = ITf + ITv

3.2. Parmetros de concepo:Para alm da anlise de toro, fadiga, corte, esmagamento, dimensionamento, que se fizeram aos componentes estes ainda estiveram sujeitos a alguns clculos extra, sendo estes no directamente relacionados com a sua resistncia e condies de servio, mas sim relacionados com o seu acoplamento e dimenses. Por exemplo, para determinar qual o cilindro hidrulico a aplicar nos movimentos horizontais e verticais, teve-se que arbitrar um valor estimado para o peso total do cabeote, e proceder a um estudo de momentos, de onde se determinou qual a carga a que iriam estar sujeitas as hastes dos cilindros, bem como o dimetro destas e o curso. Por outro lado dimensionou-se os rolamentos e os retentores das cmaras hidrulicas para que o mesmo dimetro de veio, a caixa do retentor externo fosse menor que a caixa do rolamento, e que a caixa do retentor interno da cmara, fosse menor que a caixa do retentor externo, consoante demonstra a figura 6. Isto para que se evitassem


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problemas de montagem e dificuldades em conservar o estado dos retentores durante e posteriormente montagem.

Retentores externos Retentores internos Cmaras hidrulicas Rolamentos

Fig.6: Caixas, montagem e caractersticas da cmara hidrulica do cabeote, em corte.

Para alm disso houve uma srie de aspectos que passaram pelo mesmo critrio de anlise, durante o dimensionamento e montagem, isto, at que se apresenta o dimensionamento final dos componentes para a montagem do cabeote, estes so apresentados no captulo 7/7.2.

3.3. Peas a adquirir no mercado:No captulo 7/7.2 est apresentada toda a listagem, referncias dos componentes e todos os seus desenhos tcnicos de construo mecnica. Destes, a maior parte so normalizados, e assim, existentes no mercado.


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Seguidamente na tabela 1, refere-se as referncias e a designao dos componentes a adquirir no mercado consoante a numerao da listagem referida.Tabela 1: Peas a adquirir no mercado.

Referncia 001 002 003 004 005 006 007 008 009 013 014 022 023 030 031 032 033 034 035 037 044 052 053 054 055 056 057 058 059 060 061 061 063 064 065 066 067 068 069 070 071 073

Designao Anel Oring 70x3mm Anel Oring 98x3mm Anel Oring 159x3mm Anel Oring 164.69x3.53mm Anel Oring 179x3mm Anel Oring 193x3mm Anel Oring 199x3mm Anel elstico do corpo, DIN472 165x4 St Anel elstico do corpo, DIN472 165x4 St Anilha vedante da vlvula de reteno sequencial Anilha do veio do motor, NP ISO7090 10 140Hv Barramento da fresadora Block cilinder do prato de fixao Chaveta de disco do motor, NP ISO3912 4x6.5 Chaveta plana da roda dentada Chaveta plana do prato, A ISSO/R 773 8x7x45 Cilindro hidrulico de fixao ao barramento Cilindro hidrulico do movimento horizontal Cilindro hidrulico do movimento vertical Corpo da vlvula de reteno sequencial Grace de lubrificao Motor hidrulico Parafuso H NP1900 ISO4017 M14x70 8.8 Parafuso CHC NP ISO4762 M3x8 8.8 Parafuso CHC NP ISO4762 M5x30 8.8 Parafuso CHC NP ISO4762 M5x50 8.8 Parafuso CHC NP ISO4762 M5x55 8.8 Parafuso CHC NP ISO4762 M5x60 8.8 Parafuso CHC NP ISO4762 M6x20 8.8 Parafuso CHC NP ISO4762 M6x25 8.8 Parafuso CHC NP ISO4762 M6x35 8.8 Parafuso CHC NP ISO4762 M6x65 8.8 Parafuso CHC NP ISO4762 M8x25 8.8 Parafuso CHC NP ISO4762 M8x70 8.8 Parafuso CHC NP ISO4762 M10x12 8.8 Parafuso CHC NP ISO4762 M10x30 8.8 Parafuso CHC NP ISO4762 M12x35 8.8 Parafuso CHC NP ISO4762 M12x80 8.8 Parafuso FHC NP ISO4762 M5x16+k 8.8 Parafuso FHC NP ISO4762 M8x25+k 8.8 Parafuso FHC NP ISO4762 M16x35+k 8.8 Perno da vlvula 4/2, NF E 25 135 M6x130, 12 8.8 23


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075 078 079 080 086 087 088 089 092 096 097 099 100 101 102 103 105 106 107

Porca do parafuso em T inv., H ISO4032 M16x1.75 8 Porca H ISO4032 M5x0.8 8 Porca H ISO4032 M6x1 8 Porca do veio do motor hidr., H ISO4036 M10x1.5 8 Retentor da cmara hidrulica 140mm Retentor da cmara hidrulica 150mm Retentor da tampa posterior do corpo 128mm Retentor das engrenagens Rolamento do veio Tampo HC ISO4027 M10x11 Tampo HC ISO4027 M10x20 Vlvula comutadora 3/2 Vlvula comutadora 4/2 Vlvula de reteno geminada Vlvula de reteno sequencial Vlvula direccional 4/3 Vlvula redutora de presso Vlvula reguladora de fluxo Vlvula de tomada de presso rpida

3.4. Peas a fabricar:Como j foi referido, no captulo 7/7.2 est apresentada toda a listagem, referncia dos componentes e os desenhos tcnicos. Destes, alguns so no normalizados logo ter que se proceder sua maquinagem. Seguidamente na tabela 2, refere-se as referncias e as designaes dos componentes a construir consoante a numerao da listagem referida.Tabela 2: Peas a fabricar.

Referncia 010 011 012 015 016 017 018 019 020 021 024 025 026

Designao Anilha de apoio e desgaste do movimento horizontal Anilha de fixao do apoio mesa Anilha do parafuso em T, NP ISO7094 16 100Hv Apoio da vlvula 3/2 Apoio da vlvula 4/3 Apoio da vlvula de reteno geminada Apoio vertical Apoios e eixo vertical Barra de transmisso do movimento horizontal Barra de transmisso do movimento vertical Bloco de medio Casquilho do eixo horizontal Casquilho do eixo vertical


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027 028 029 036 038 039 040 041 042 043 045 046 047 048 049 050 051 072 074 076 077 081 082 083 084 085 090 091 093 094 095 098 104 108

Casquilho de fixao do rolamento Casquilho de fixao do retentor Casquilho de fixao da engrenagem do veio Corpo do cabeote Cremalheira do movimento horizontal Cremalheira do movimento vertical Eixo horizontal Engrenagem do movimento vertical Engrenagem do movimento horizontal Fixador da vlvula 4/2 Grampo de aperto, prato de 2 grampos Grampo de aperto, prato de 3 grampos Grampo de aperto, prato de 4 grampos Guia da cremalheira do movimento horizontal Guia da cremalheira do movimento vertical Meia-lua da chumaceira do movimento vertical Mesa de fixao ao barramento Parafuso em T invertido, M16 Perno do prato desandador Porca de atravancamento do veio Porca d atravancamento do veio Prato de fixao de 2 grampos Prato de fixao de 3 grampos Prato de fixao de 4 grampos Prato de fixao de desandador Prato de fixao horizontal Roda dentada do motor Roda dentada do veio Tampa posterior do corpo principal Tampa das engrenagens Tampa superior do cabeote Tampo da vlvula de reteno sequencial, M16x12 Vlvula, bloco distribuidor Veio principal

3.5. Sequncia de montagem:Existem vrios padres de sequncia de montagem dos componentes, de forma a construir e a dar forma ao cabeote semi-automtico, de seguida apresenta-se uma das sequncias previstas para a montagem do cabeote, sendo esta baseada unicamente nas referncias dos componentes, segundo a listagem anexada no captulo 7/7.2.


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022 038 001 027 093 032 047 073 101 095

051 034 001 027 091 032 100 073 016 033

025 020 026 092 029 032 100 043 103 033

018 049 026 092 052 083 100 043 015

040 049 050 009 090 023 100 105 099

010 035 086 009 089 023 073 105 106

006 039 086 108 094 023 073 105 106

002 021 087 077 005 023 073 105 024

011 019 087 076 007 047 073 101 104

042 036 028 088 003 047 073 101 037

048 041 028 004 032 047 073 101 102

Esta sequncia de montagem deve ser lida da mesma forma que um livro, isto , da esquerda para a direita, seguindo-se de seguida uma mudana para a linha seguinte no sentido descendente. Seguidamente transcreve-se um excerto da sequncia e uma representao esquemtica da montagem: 083 023 023 023 023 047 047 047 047

Fig.7: Excerto da montagem dos componentes do cabeote.

E assim sucessivamente, at concluir a montagem do cabeote semi-automtico.Cabeote universal semi-automtico

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4. Produto finalAps o dimensionamento, demonstra-se como produto final um conjunto de componentes, que montados entre si, do forma ao cabeote semi-automtico, consoante a figura 8 e 9. Este no se pode definir como estando totalmente dimensionado e pronto a por em funcionamento, visto que ainda existe uma srie de componentes a dimensionar indispensveis para o seu funcionamento. Para tal apresenta-se duas listas, das quais uma se refere s etapas concludas com este trabalho, e a outra apresenta todas as etapas futuras a realizar. Esta ltima divide-se em dois grupos, etapas fundamentais para o funcionamento do cabeote, e etapas que apenas viso melhorar as caractersticas tcnicas do cabeote.

Fig.8: Cabeote semi-automtico montado, em perspectiva isomtrica.


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Fig.9: Cabeote semi-automtico parcialmente montado, com corte a da sua seco.

4.1. Etapas concludas:1 - Pesquisa das caractersticas mnimas a aplicar na construo do cabeote; 2 - Dimensionamento das engrenagens helicoidais de transmisso de potncia; 3 - Dimensionamento das engrenagens rectas dos movimentos verticais e horizontais; 4 - Estudo de toro do veio; 5 - Estudo de fadiga das engrenagens e do veio; 6 - Dimensionamento dos rolamentos; 7 - Estudo das tenses de corte e esmagamento das chavetas; 8 - Estudo da transmisso do motor; 9 - Construo do esquema lgico (total) dos circuitos hidrulicos; 10 - Pesquisa e seleco dos componentes do circuito hidrulico (estrutura do cabeote); 11 - Estudo e dimensionamento dos componentes do cabeote; 12 - Representao dos componentes a 3D;


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13 - Estudo do tolernciamento e ajustamentos de montagem; 14 - Montagem dos componentes (computacionalmente); 15 - Representao dos componentes em desenhos tcnicos a 2D; 16 - Listagem de todos os componentes; 17 - Seleco dos componentes a adquirir no mercado; 18 - Seleco dos componentes a fabricar; 19 - Construo do relatrio final; 20 - Apresentao deste trabalho.

4.2. Etapas futuras:4.2.1. Etapas fundamentais para o funcionamento:- Pesquisa e seleco dos componentes do circuito hidrulico (unidade de potncia); - Anlise de toda a consola de controlo do cabeote; - Seleco dos componentes da consola de controlo; - Construo de um prottipo do cabeote; - Construo da unidade de potncia; - Construo dos pratos de fixao; - Montagem dos equipamentos (produto final, global); - Submisso do prottipo a testes de funcionamento; - Submisso do prottipo a testes de robustez; - Anlise dos resultados; - Rectificaes, testes e afinaes; - Produto final.

4.2.2. Etapas de desenvolvimento para outras opes:- Construo de um prato de fixao para maquinagem de excntricos; - Dimensionamento de um contraponto; - Dimensionamento do ponto do prato desandador; - Anlise alimentao automtica do material base (varo); - Anlise ao sangramento das peas.Cabeote universal semi-automtico

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Com isto, e aps se terem concludo com xito todas as etapas descritas anteriormente, pode-se processar a construo em srie do cabeote semi-automtico, e comercializao no mercado. Oferecendo um produto inovador, sofisticado e de grande utilidade, provocando este, um desenvolvimento das industrias metalomecnicas, e quem sabe, definir uma nova gerao deste tipo de industrias.


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5. Caractersticas do cabeoteAs caractersticas tcnicas deste cabeote, apresentveis ao pblico, a ttulo de informao, so:

- Aplicvel em fresadoras, tornos, furadoras, plainas, escateladoras e rectificadoras; - Potncia at 11,06 [kW]; - Gama de rotaes de 0 at 4255,26 [rpm]; - Nmero de velocidades ilimitada; - Diviso angular de 0,5 at 360 []; - Equipado com prato de fixao de 2 grampos; - Equipado com prato de fixao de 3 grampos; - Equipado com prato de fixao de 4 grampos; - Equipado com prato desandador; - Equipado com prato de fixao horizontal; - Capacidade de fixao nos pratos, interiormente de 4 a 93 [mm]; - Capacidade de fixao nos pratos, exteriormente de 30 a 142 [mm]; - Movimentao horizontal de 45 at 45 []; - Movimentao vertical de 0 at 90 []; - Equipamento com fixao ao barramento por cilindros hidrulicos; -Equipamento com fixao ao barramento por parafusos em T invertido; - Actuao totalmente hidrulica; - Controlo elctrico; - Requer programao.


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6. ConclusoTodos os objectivos de dimensionamento e restries apresentados inicialmente foram superados com xito e rapidez, isto com a preciosa ajuda do organigrama funcional, o qual proporcionou uma rpida seleco das excluses a fazer, bem como todas as decises abrangentes a efectuar. Relativamente aos custos do cabeote este apresenta uma perspectiva monetria dentro do esperado (6300 ), pois a maior percentagem dos componentes (57 %) so de caractersticas normalizadas, o que baixa bastante o seu custo. Desde o incio que se pretendeu dimensionar os componentes para que estes tivessem a menor manuteno possvel, desgaste, massa e volume, melhor facilidade de acoplamento e como j referido o seu custo monetrio. O cabeote para alm de diversas vantagens que apresenta relativamente aos convencionais, tem um bom aspecto visual, boas caractersticas mecnicas, boa preciso, elevado poder de resposta, boa adaptao a qualquer posio de trabalho. Com isto pode-se afirmar que todos os aspectos de dimensionamento foram superados com xito, e que com este projecto, estamos perante um equipamento verstil, econmico, vantajoso, e de inmeras vantagens.


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7.Captulo tcnico7.1. Parte I Anlise dos componentes, dimensionamento e tabelas:- Organigrama funcional; - Excluses e decises do organigrama funcional; - Esquema lgico dos circuitos hidrulicos; - Folhas de clculos para anlise e dimensionamento: - Transmisses hidrostticas; - Engrenagens; - Transmisso do motor; - Rolamentos; - Toro do veio; - Fadiga do veio; - Corte e esmagamento das chavetas; - Tolernciamentos; - Cabeote divisor universal (formulao e tabelas).

7.2. Parte II Desenhos tcnicos dos componentes:- Listagem e referncias dos componentes do cabeote; - Desenhos de definio (desenhos individuais dos componentes); - Desenhos de definio (desenhos de montagem); - Prato de 2 grampos; - Prato de 3 grampos; - Prato de 4 grampos; - Prato desandador; - Cabeote montado; - Cabeote em perspectiva explodida.


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8. BibliografiaPesquisa bibliogrfica: Andrade, Carlos; Apontamentos para a disciplina de Desenho de Construo Mecnica I ; IPB 2001/2002. [1] Casillas, A. L. ;Mquinas formulrio tcnico, 4Edio; Editora Mestre Jou 1987. [2] Castro, Paulo Tavares; rgos de mquinas e anteprojecto; Feup 1996/1997. [3] Gieck, Kurt; Engineering formulas, 7Edio; MacGraw Hill 1986. [4] Joo, Ana; Apontamentos para a disciplina de Desenho de Construo Mecnica II; IPB 2001/2002. [5] Lima, Rui; Apontamentos para a disciplina de Transmisses Hidrostticas, 1Edio; IPB 2003/2004. [6] Mesquita, Lus Manuel Ribeiro; Apontamentos para a disciplina de Mecnica dos Materiais I; IPB 2002/2003. [7] Mesquita, Lus Manuel Ribeiro; Apontamentos para a disciplina de Mecnica dos Materiais II; IPB 2003/2004. [8] Morais, Jos Manuel de Simes; Desenho Tcnico Bsico 3, 3Volume; Porto Editora 1995. [9] Rmheld; Hidraulic, Power Workholding, Tool Clamping and Hidraulic Elements; Rmheld; Worldwide 1998. [10] Roseira, Antnio Silva Lopes; Elementos de Mecnica, 9Edio; Porto Editora 1997. [11]

Pesquisa de Internet: http://www.aneisrcs.com.br http://www.arcaretentores.com.br http://www.boschrexroth.com 34


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http://www.bru-hyd.com http://www.dinatecnica.com.br/index.htm http://www.elkaconexes.com.br http://www.gustavocudell.pt http://www.ina.com http://www.jo-spareparts.de/brasil/produkte/MPs/MPs_br.htm http://www.romheld.co.uk/ http://www.roemheld.de http://www.romheldaustralia.com.au/index2.html http://www.surpluscenter.com http://www.thesealman.com/pages/translations/oportugues.html http://www.timken.com


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9. ApndiceObservaes dos construtores dos componentes:- Aqui refere-se todas as sugestes dos fabricantes para montagem dos componentes, bem como o tolernciamento, paralelismos de montagem, dimenses e outras anotaes: - Retentores; - Rolamentos; - Equipamentos hidrulicos: - Vlvulas normais e de solenide; - Motor hidrulico; - Cilindros hidrulicos.


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