Usinagem de rotores de compressores de parafuso

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Esta reportagem mostra o case da PTG Holroyd, fabricante de fresadora de perfis que integra a linha de manufatura da alemã Boge, que produz rotores para compressores. Os rotores para compressores são produzidos em linhas de manufatura encadeadas e plenamente automatizadas. Dentro delas encontrase integrada a fresadora da PTG Holroyd, que confecciona perfis de forma econômica e produtiva, mantendo as tolerâncias necessárias para a retificação posterior.

H. Damm

Data: 10/08/2016

Edição: MM Agosto 2016 - Ano 52 - N^o 607

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Compressores de parafuso geram fluxos volumétricos uniformes e estáveis de ar ou gases sob pressões entre 4 e 15 bar. Isso os qualifica como solução preferencial quando é necessário garantir o abastecimento básico estável de uma rede de condutos abrangente que atende a diferentes consumidores. Em função do fluxo volumétrico contínuo sob pressão quase constante que esse tipo de compressor proporciona, ele é adequado especialmente para consumidores críticos, por exemplo, para o abastecimento de ar e gases em hospitais ou para a fabricação de dispositivos eletrônicos.

O princípio de trabalho – dois rotores com dentes entrelaçados com formato helicoidal, comprimindo o ar ou o gás – capacita os compressores de parafuso (figura 1) particularmente para os casos envolvendo abastecimento econômico sob altos fluxos volumétricos. Esse tipo de compressor é composto essencialmente de dois rotores com múltiplos dentes em formato helicoidal, os quais encontram-se acomodados no interior de uma carcaça estável, com flancos para os condutos de entrada e saída.

Este tipo de compressor é produzido, entre outras empresas, pela Boge. Localizada em Bielefeld, Alemanha, a fabricante atua a nível mundial e produz também compressores de pistão, estações de compressores com aplicações flexíveis, bem como soluções completas de sistemas para a disponibilização de ar ou gases sob pressão. Para atender ao forte crescimento da demanda mundial por compressores de parafuso e de pistão, em fevereiro de 2014, a Boge iniciou as atividades de seu moderno centro de produção em Groβenhain, na Saxônia.

Produção enxuta

As tecnologias mais modernas de manufatura encontram-se disponíveis nas novas instalações da Boge, onde as áreas de produção e montagem ocupam uma área de 4.500 m². No local, a empresa produz, entre outros componentes, o coração de seus compressores, os quais executam de forma particularmente eficiente e, não obstante, muito silenciosa, o estágio de compressão, dentro do conceito de “effilence” (“efficience plus silence”, ou seja, eficiência mais silêncio) implantado pela empresa (figuras 2 e 3).

Além das carcaças para os compressores, são produzidos anualmente até 24.000 rotores. Até o primeiro semestre do ano passado, a produção em Groβenhain era metade do valor planejado. Até 2020 é esperado que ela alcance sua capacidade plena.

Um elemento essencial na manufatura dos rotores é a linha de produção encadeada. A da Boge trabalha de forma totalmente automatizada: centros de usinagem e retificação, bem como estações de desrebarbamento, medição e lavagem, além de sistemas de transpor te e robôs em por tal, encontram-se ligadas entre si de for ma a garantir um fluxo contínuo de material. A linha de produção é controlada através do princípio do kanban.

A fabricante alemã produz 16 variantes de rotores para atender à demanda mundial por compressores. Sobretudo a demanda serve de orientação durante a fase de planejamento da produção para se definir os correspondentes tamanhos de lote. Por esse motivo, por um lado é necessário dispor de flexibilidade suficiente e, por outro, também ter um processo de manufatura particularmente econômico e com alta produtividade.

Por esse motivo, os técnicos da Boge testaram diferentes conceitos de manufatura. Entre eles se encontra o uso de centros de torneamento/fresamento altamente flexíveis, os quais usinam completamente um rotor em um único ciclo dentro do fluxo de trabalho. Contudo, ao se considerar os custos para a produção em série, essa abordagem rapidamente se mostra antieconômica.

Além disso, na manufatura celular, frequentemente o tempo de espera das peças entre as estações de usinagem é muito longo. Isso deve ser evitado caso o objetivo seja uma produção com baixa necessidade de mão de obra e com alta produtividade.

Por esse motivo, os especialistas da Bogen em Groβenhain decidiram por uma linha de produção encadeada e automatizada. Os centros de torneamento, fresamento e retificação, bem como as máquinas para desrebarbação, trabalham em múltiplas etapas de usinagem especializadas ao longo da sequência de rotores.

Esse tipo de manufatura atende às necessidades da Boge por maior produtividade e economia. Esse conceito de fabricação também apresenta vantagens sob as condições específicas da Boge ao se considerar a carência crescente de mão de obra especializada e a necessidade de maior eficiência energética associada aos centros e células de usinagem flexíveis.

Fresamento até a tolerância para retificação

Os semiprodutos chegam à linha de fabricação na forma de tarugos cilíndricos lingotados continuamente, que foram previamente torneados na forma de cilindros. Eles são transportados através de portais robotizados até as estações de usinagem isoladas e lá depositados. Uma etapa essencial na usinagem sequencial é o fresamento dos perfis dos dentes com formato helicoidal (figura 5, pág. 24).

Esse trabalho é efetuado pela máquina para fresamento de perfis modelo 3EX-R fabricada pela PTG Holroyd (figura 6, pág. 24). Ela foi especificamente concebida para fresar perfis de maneira altamente produtiva e seus eixos são fixados entre o mandril e a contraponta. A ferramenta de fresamento perfilada, adequada para o perfil denteado, com pastilha de cor te ar ranjada tangencialmente de forma estável, é fixada na unidade de fresamento basculante.

Essa configuração foi concebida de tal maneira que o formato final dos dentes é confeccionado da forma mais exata possível. Sobre o formato global dos dentes é incluído um pequeno sobremetal uniforme. Dessa forma, subsequentemente, uma retificadora de perfis poderá efetuar o acabamento sobre perfil dos dentes de maneira consistente e com alta precisão.

A fresadora para perfis (figura 4) usina o cilindro, confeccionando o perfil denteado completo numa única etapa de trabalho. O fresamento ocorre a seco. O fluido refrigerante somente é usado para eliminar e resfriar a maior parte dos cavacos. A fresadora para perfis da Holroyd está assentada sobre uma base de ferro fundido muito rígida e fortemente nervurada para garantir estabilidade extra.

Seus eixos se deslocam sobre amplas guias retangulares calibradas. Dessa forma, a máquina pode aplicar forças máximas durante o fresamento sem sofrer deformações, como no momento em que a ferramenta para fresamento do perfil mergulha plenamente sobre a peça.

Fresamento de dentes a alta produção

O fabricante de máquinas Holroyd per tence ao Precision Technologies Group, sediado em Milnrow/Rochdale, Inglaterra. Há mais de 150 anos essa empresa desenvolve, projeta e constrói fresadoras e retificadoras para a confecção, a alta produtividade, de vários tipos de diversos perfis denteados. Os fabricantes de máquinas e equipamentos nas indústrias aeroespaciais, navais, geração de energia e automotiva usam rotores, engrenagens e roscas produzidas com precisão específica.

Essa fabricante de máquinas também trabalha para esses mesmos ramos industriais, por meio de subcontratação, na fabricação de rotores e fusos, usando suas próprias fresadoras e retificadoras. Dessa forma a empresa disponibiliza sua própria experiência prática quando os rotores e roscas apresentam geometrias extremamente complexas. Além disso, a Holroyd oferece soluções completas para a manufatura dos componentes com formato helicoidal, desde o esboço bruto até o componente pronto para montagem.

É particularmente vantajoso para o usuário de fresadoras para perfis utilizar programas computacionais desenvolvidos e implementados pelo fabricante do equipamento. Dessa forma é possível programar o processo de usinagem de forma confortável e simples, sem necessitar de conhecimentos específicos sobre as geometrias do perfil.

Opcionalmente, pode-se integrar um sistema de medição na fresadora de perfis. Dessa forma, pode-se, por exemplo, registrar a posição angular dos rotores caso tiverem de ser processados cilindros cujo perfil denteado já tiver sido pré-usinado. Além disso, podem ser registradas as profundidades dos perfis denteados, de forma a se controlar posteriormente o processo de fresamento durante sua execução. Isso ocorre sobretudo nos processos de fresamento executados em múltiplos estágios, nos quais a fresadora efetua a usinagem principal e também o acabamento do perfil denteado.

Da fresadora à integração

A Boge aproveitou as características globais das máquinas e a capacidade da fabricante inglesa de máquinas para definir a configuração da sua linha de produção para rotores de compressores implantada em Groβenhain. Os especialistas da Holroyd integraram as fresadoras de perfil sem problemas, conforme é requerido para se dispor de uma linha de produção totalmente automatizada. Além disso, foram concebidos e fabricados os dispositivos e meios de fixação necessários para as peças sob processamento e as ferramentas para fresamento.

Para as 16 variantes de rotores fabricadas, podem ser selecionados, de forma flexível, cilindros com comprimento entre 180 e 1.200 mm e 80 e 400 mm de diâmetro para serem submetidos ao fresamento do perfil denteado. Para tanto, a Holroyd disponibilizou as correspondentes guias de entrada, garras, transportadores e suportes de ferramentas para os cilindros, bem como as diversas guias de entrada para as ferramentas de fresamento.

Durante o projeto da fresadora de perfis, foi considerada a necessidade de curtos tempos de reconfiguração do equipamento. A opção de se medir a profundidade alcançada nos dentes ao longo do processo de fresamento por meio de um sistema de medição integrado ajuda o usuário da máquina a efetuar uma reconfiguração rápida e confiável do equipamento. A partir dos dados medidos é possível estabelecer rapidamente o processo para se alcançar as tolerâncias desejadas para a retificação.

Há um tempo de ritmo por rotor fabricado a ser observado para se ter uma produção econômica. Curtos tempos de ciclo são mais importantes para a produção em série da Boge do que um breve tempo de reconfiguração da máquina. Portanto, foi estabelecido que deveria ser possível produzir cada uma das 16 variantes de rotores após uma rápida reconfiguração do equipamento. Apenas tal combinação de produtividade e flexibilidade assegura a capacidade de fornecimento mundial existente na matriz da Boge, em Bielefeld.

A capacidade da PTG Holroyd na instalação e comissionamento da linha de produção foi confirmada durante o estabelecimento da filial de Grobenhain. Como já mencionado, o conceito, planejamento detalhado, integração e encadeamento, bem como o comissionamento das fresadoras de perfis, transcorreu sem problemas. Assim como o serviço e treinamento de programação e operação do sistema especial de controle. Dessa forma, a linha completa de produção entrou em operação dentro de alguns poucos meses. A PTG, em Augsburg, Alemanha, estabeleceu esse tipo de serviço para seus clientes europeus em 2009.

Otimização permanente

O tempo até a reconfiguração do equipamento e o correspondente tamanho do lote produzido definem quais pedidos devem ser transferidos da matriz para as instalações atuais. Para se elevar de forma contínua a produtividade e flexibilidade requeridas para essas atividades, os especialistas em manufatura da Bogen otimizam repetidamente as estações mais lentas dentro da linha de produção encadeada. Isso é definido tanto pelo tempo de ciclo, como pelo tempo para preparação da linha como um todo.

Os técnicos de manufatura também consideram a máxima eficiência de energia durante a produção. Por exemplo, as temperaturas dentro dos galpões de fabricação devem ser independentes das variações climáticas anuais, podendo variar no máximo em 5ºC. Isso é alcançado sem climatização, somente com o projeto de construção do prédio.

A constância da temperatura garante alta precisão e consistência dos processos de manufatura, a qual ocorre em três tornos, ocupando apenas 30 empregados. Com mais duas etapas de ampliação, a capacidade de produção da nova planta será duplicada. Essa evolução bem-sucedida também tem a contribuição da usinagem a alta produtividade proporcionada pelas fresadoras de perfil fornecidas pela Holroyd. As próximas linhas para produção de rotores para compressores também integrarão fresadoras de perfil provenientes desse fornecedor inglês.