Aplicação de CAD/CAE/CAM no processo de Oxicorte

Aplicação de CAD/CAE/CAM no processo de Oxicorte

Julliano Falcão Ribeiro1 Gustavo Sampaio Abreu Leite2 Renato de Castro Vivas3

Resumo

O corte a oxigênio ou simplesmente oxicorte é um processo de corte térmico que utiliza um jato de oxigênio puro para oxidar o metal de base e remover a mistura, no estado líquido, de óxidos e do material de base da região de corte. O processo é usado basicamente para ligas de ferro, principalmente aços carbono e aços de baixa liga, podendo ser usado também para ligas de titânio. Quando a tecnologia de oxicorte é associada a um sistema integrado CAD/CAE/CAM, é possível planejar de forma eficaz cada etapa processo de fabricação da peça, evitando erros e desperdícios, reduzindo o tempo de manufatura e custos.

Palavras chave: Oxicorte; corte térmico; CAD; CAE; CAM.

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UFBA. Escola Politécnica. Departamento de Engenharia Mecânica. Estudante de graduação da disciplina Manufatura Assistida por Computador, turma 2013.2, do Curso de Engenharia de Produção. 2

UFBA. Escola Politécnica. Departamento de Engenharia Mecânica Estudante de graduação da disciplina Manufatura Assistida por Computador, turma 2013.2, do Curso de Engenharia de Produção. 3

UFBA. Escola Politécnica. Departamento de Engenharia Mecânica. Professor da disciplina Manufatura Assistida por Computador, turma 2013.2, do Curso de Engenharia de Produção.

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1. Introdução O corte de materiais é uma das mais importantes etapas na cadeia dos aços. Numa manufatura pode existir a necessidade de cortar as chapas prontas em peças para seu destino final, assim como sucatas devem ser cortadas em peças de menores dimensões para facilitar seu reaproveitamento. Segundo RAMALHO (2014) os cortes podem ser classificados como mecânicos, por fusão do metal, por combinação de fusão e vaporização ou por reação química, sendo este último o objeto do nosso estudo. O corte por reação química combina o aquecimento através de chama e reações exotérmicas, seguido de oxidação do metal e posterior expulsão através de jato de O2. O corte a oxigênio, ou oxicorte, (Oxyfuel Gas Cutting, OFC) é um técnica de corte por reação química inventada pelo alemão Adolf Messer, em 1903.

Figura 1 - processo de oxicorte

LABOURIAU (1988) define o oxicorte como um processo de seccionamento de metais pela combustão localizada e contínua devido à ação de um jato de O 2 de elevada pureza, agindo sobre um ponto previamente aquecido por uma chama oxicombustível. O processo baseia-se na elevação da temperatura em um ponto localizado para acelerar a reação de oxidação, o calor fornecido é suficiente para liquefazer o óxido formado e realimentar a reação. Ao atingir a temperatura de “oxidação viva” segue-se a injeção de O2 através do orifício central do bico de corte fixado no maçarico, dessa forma o óxido no estado líquido se escoa expulso pelo jato de O2, permitindo o contato do ferro devidamente aquecido com O 2 puro, o que garante a continuidade ao processo. As condições básicas para a ocorrência do 2

oxicorte são: temperatura de início de oxidação viva deve ser inferior à temperatura de fusão do metal; a reação deve ser suficientemente exotérmica para manter a peça na temperatura de início de oxidação viva; os óxidos formados devem ser líquidos na temperatura de oxicorte facilitando seu escoamento para possibilitar a continuidade do processo; o material a ser cortado deve ter baixa condutividade térmica; os óxidos formados devem ter alta fluidez.

Figura 2 - componentes do oxicorte

O ferro em seu estado metálico é instável, tendendo a se reduzir para o estado de óxido. No processo de corte esta reação é acelerada, havendo um considerável ganho exotérmico. As reações do ferro puro com o O2 são as seguintes:

No processo, a chama oxi-combustível tem a função de aquecimento do metal. Regula-se a chama no maçarico, inicia-se o aquecimento da região a ser cortada por uma borda ou faz-se uma perfuração na chapa. Quando o material em volta deste ponto inicial estiver na temperatura adequada, abre-se a válvula do O2 de corte e inicia-se o deslocamento do maçarico, o que inicia o processo. Para a obtenção da chama oxi-combustível, são necessários pelo menos 2 gases, sendo um deles o oxidante e o outro o combustível, podendo este ser puro ou mistura com mais de um gás combustível. ALMEIDA (2002) afirma que o oxigênio (O2) é o gás utilizado como oxidante no processo de oxicorte. É inodoro, incolor, não tóxico e mais pesado que o ar (peso atômico: 31,9988 g/mol), tem uma pequena solubilidade na água e álcool. O O 2 por si só não é inflamável, porém sustenta a combustão, reagindo violentamente com materiais combustíveis, podendo causar fogo ou explosões. O oxigênio também exerce a função de expulsão dos óxidos fundidos. 3

Figura 3 - Combustão de diferentes gases

Diversos gases podem ser utilizados como combustíveis para a chama de préaquecimento, ignição e manutenção da chama de aquecimento. Entre estes podemos citar: acetileno, propano, propileno, hidrogênio, GLP ou mistura destes. A natureza do gás combustível influi na temperatura da chama, no consumo de O2 e consequentemente no custo final do processo. Na figura 3 é mostrada a combustão de diferentes gases combustíveis, podendo se ver na abscissa o volume de O2 consumido para a combustão completa e na linha das ordenadas a temperatura máxima atingida (LABOURIAU, 1988). No Brasil é mais usual a utilização dos gases acetileno ou GLP. O acetileno (C2H2) é o de maior interesse industrial por possuir a maior temperatura de chama (3.160 °C). É um gás estável a temperatura e pressão ambiente, porém não se recomenda seu uso com pressões superiores a 1,5 kg/cm 2, onde o gás pode decompor-se explosivamente. O GLP (C3H8 + C4H10) ou Gás Liquefeito de Petróleo (GLP) é uma mistura de propano e butano. O GLP é incolor e inodoro quando em concentrações abaixo de 2% no ar. É um gás 1,6 vezes mais pesado que o ar, sendo utilizado como combustível para queima em fornos industriais, aquecimento e oxicorte (XX CBS, 1994). A seleção do gás combustível deve levar alguns fatores como espessura, tempo requerido no pré-aquecimento para o inicio da operação, quantidade de inícios de corte na borda ou perfurações no meio necessário na operação, custo e forma de fornecimento do gás combustível (cilindros, tanques ou tubulação), custo do O2 requerido para a combustão completa, possibilidade de utilização do combustível em outras operações como soldagem, aquecimento ou brasagem entre outras, segurança no transporte e utilização do produto. 4

As máquinas de corte são equipamentos eletromecânicos cuja principal função é a de movimentar o maçarico de corte com velocidade constante por uma trajetória definida. Existem diversos tipos e modelos destes equipamentos, desde os mais simples conhecidos como "tartarugas" (Figura 4) até os mais complexos controlados por microprocessadores (CNC) e integrados (Figura 5) com sistemas de bases de dados que podem controlar o uso de retalhos de operações anteriores sem a necessidade de uma chapa nova e também integrados a softwares que possibilitam determinar, através de algoritmos matemáticos, o melhor corte de uma chapa.

Figura 4 - Maquina de oxicorte "tartaruga"

Figura 5 - Maquina de oxicorte CNC

As principais características técnicas a serem observadas em uma máquina de corte são: capacidade de corte; ângulo de inclinação do maçarico; velocidade de corte; quantidade de maçaricos suportada; área útil de corte; estabilidade do conjunto; quantidade de mesas para processamento de chapas. De acordo com JOAQUIM & RAMALHO (1984), as máquinas de corte CNC são os equipamentos de corte com maiores recursos. Permitem acoplar diversos maçaricos e seus controles de velocidade e trajetória de deslocamento são feitos através de microprocessadores, possibilitando a utilização deste sistema integrado a sistemas computadorizados controlados por CAD. São equipamentos utilizados em indústrias de médio e grande porte, na produção de peças médias e grandes. Quando comparado com outros processos, o oxicorte apresenta as seguintes vantagens: a diversidade de gases combustíveis que podem ser utilizados e o O2 abundante na atmosfera; não necessita eletricidade; requer pequeno investimento inicial quando comparados com outros processos de corte tais como plasma ou LASER; facilidade operacional. Como principais desvantagens o processo de oxicorte apresenta: 5

restrições de aplicação a diversos metais usados industrialmente tais como aço inoxidável, níquel, alumínio, cobre e suas ligas; os materiais periféricos como cilindros de gás, são pesados e de difícil manuseio, o que dificulta o acesso a lugares altos ou postos de trabalho que se encontrem afastados dos cilindros; a constante manipulação de cilindros de O2 requer a utilização de ferramental e procedimentos adequados para se evitar vazamentos e explosões, entre outras medidas de segurança (AGA, 2000).

2. Aplicação de CAD/CAE/CAM A busca por prazos de entrega cada vez menores tem feito muitas empresas adotarem inovações tecnológicas para melhorar seus processos. Uma das soluções encontradas é o uso de softwares para auxiliar o projeto e a manufatura dos produtos. Algumas características desses sistemas fazem com que eles se tornem verdadeiros aliados das indústrias, trazendo benefícios como produtividade, redução do desperdício de matéria-prima, gerenciamento e controle do estoque de matériaprima, cálculo do tempo e do custo de confecção da peça antes que ela seja fabricada, etc. Diversos sistemas de corte CNC estão disponíveis no mercado, sendo alguns mais antigos, como o oxicorte, e outros mais recentes, como o corte a laser, a plasma e por jato d’água. O processo de oxicorte é o mais indicado para o corte de chapas de aço-carbono com espessuras acima de 40 mm, devido ao seu baixo custo e relativa precisão. Para que a indústria faça uso de todos os recursos disponíveis em termos de matéria-prima do próprio processo, é importante buscar a máxima otimização do layout de corte das chapas independentemente do tipo de processo. Essa função pode ser feita, utilizando sistemas integrados CAD/CAE/CAM que envolvem todas as variáveis do processo de corte. O planejamento e a programação de corte em um sistema CAD/CAE/CAM compreende as seguintes etapas: importação do desenho 2D ou desenho deste através do programa de CAD; escolha da disposição das peças de forma manual ou automática; geração dos caminhos de corte; programação do CNC e envio do código CN para a máquina.

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Figura 6 - Interface do sistema integrado LANTEK

Todas essas etapas são realizadas dentro de um mesmo ambiente. Sistema de gerenciamento de peças e biblioteca de chapas com base de dados aberta também incrementam as funções de um sistema para corte de chapas. O ganho no aproveitamento do material com a utilização de um sistema CAD/CAE/CAM é muito alto, se comparado com a programação manual. Um sistema CAM promove uma diminuição dos erros e um aumento da velocidade de corte, pois o programa possui recursos que nos permitem simular previamente o corte da peça, reduzindo e corrigindo os erros antes da fase de fabricação. A decisão de investir em um sistema CAM para a programação de máquinas CNC deve considerar, além dos recursos técnicos ligados à produção, a capacidade de integração do CAM com os demais setores da empresa, como, por exemplo, com a engenharia e até mesmo com o setor de vendas.

Figura 7 - Maquina de oxicorte com sistema CAD/CAE/CAM integrado

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Os sistemas CAD permitem que o produto seja visualizado antes da sua fabricação, o que auxilia tanto em questões visuais como em questões técnicas, como o funcionamento de componentes em um conjunto mecânico, ou simplesmente a aprovação do “visual” de um produto. Os softwares, tanto CAD como CAM, auxiliam este processo porque permite planejar de forma eficaz o projeto e o processo de fabricação da peça, evitando erros e desperdícios, o que permite chegar até a peça acabada em um curto espaço de tempo. Outra vantagem expressiva é a possibilidade de visualizar o produto acabado em formato digital e, caso seja necessária alguma correção, é possível fazê-la antes do início da fabricação, o que evita gastos desnecessários. Identificar e controlar cada etapa com o auxilio dos sistemas CAD/CAE/CAM também pode trazer muitos benefícios para as empresas. Na medida em que o tempo de produção aumenta, os custos também aumentam (Figura 8). Assim, é necessário fazer todo o esforço possível para que as alterações e correções do produto ocorram ainda na etapa de desenvolvimento do projeto, quando os custos são menores.

Figura 8 – Análise do custo na manufatura em função do tempo

Usar sistemas de simulação e análise para validação do produto é uma forma de evitar erros e problemas na peça em etapas posteriores. A integração entre os setores de engenharia e de processo pode ser feita através de sistemas CAD/CAE/CAM.

A

integração

entre

os

sistemas

permite

realizar

tarefas

concomitantes entre os setores, ou seja, mesmo que a engenharia ainda não tenha acabado totalmente a modelagem de um produto, o setor de processo já pode ir manufaturando a peça. Na medida em que a engenharia conclui a modelagem e envia as alterações, o software reconhece as mudanças de forma automática. 8

3. Conclusão Os avanços na área de CAD/CAE/CAM aconteceram de forma exponencial nos últimos anos e trouxeram muitas mudanças nos processos de manufatura. Hoje, os desafios vão além de projetar e produzir com qualidade, mas é preciso gerenciar todo processo, visando à diminuição de custos e redução do prazo de entrega. Ferramentas desse tipo vão muito além da geração de um código CN, pois possuem recursos que integram todo o processo, desde a venda até a entrega do produto final para o cliente. Apesar do processo de oxicorte está obsoleto em relação a outras tecnologias seu uso ainda representa uma boa relação de custo benefício em algumas manufaturas principalmente quando aliado ao uso integrado com sistemas CAD/CAE/CAM. 4. Referências HEWITT, A.D. Technology of oxy-fuel gas processes, part 1,2 and 3: In: Welding and Metal Fabrication. London. IIW, 1972. JOAQUIM, R.; RAMALHO, J.P. Corte plasma x oxicorte, algumas considerações. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE SOLDAGEM, XX., Contagem, 1994. Anais. São Paulo: ABS, 1994. p.125-138. ALMEIDA, M.B.Q. Oxicorte. Rio de Janeiro: Editora FIRJAN/SENAI, 2000, 78p.4 AGA. Marketing e Tecnologia. Catálogo de equipamentos de para corte e solda. Material Promocional. 2002. São Paulo: 76p. LABOURIAU, F. C. Aspectos relacionados com a pureza do O2 no oxicorte In: CONGRESSO BRASILEIRO DE SOLDAGEM, XIV. Gramado, 1988. Anais. São Paulo: ABS, 1988. AGA. Marketing e Tecnologia. Manual para o operador de oxicorte mecanizado. Material Promocional. 2000. São Paulo: 53p. SKA. Apresentação do software Lantek. Disponível em: . Acesso em: 01/02/2014. RAMALHO, J. Processo Oxicorte. In: Portal Brasileiro de Soldagem, Disponível em: . Acesso em: 26/01/2014.

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