1. O documento descreve o projeto de engenharia inversa de um torno CNC, incluindo a análise dos componentes, materiais, processos de fabrico, simulação do processo de fundição e dimensionamento dos sistemas. 2. É apresentado o estudo do funcionamento, comando e softwares CNC do torno, assim como a determinação das forças em maquinagem e dimensionamento do motor. 3. Inclui também a modelação 3D dos componentes, fabrico de protótipos, estudo do desenho existente e análise de defeitos de

1. INTEGRADORA V
Universidade do Minho
Escola de Engenharia - Departamento de Engenharia Mecânica
ENGENHARIA INVERSA - TORNO CNC

2. Universidade do Minho
Escola de Engenharia - Departamento de Engenharia Mecânica
Grupo 1
Regente: Prof. Joaquim Barbosa
Tutor: Prof. Caetano Monteiro
A52760
Miguel Marques
Machado
A68592
Afonso Oliveira
Baptista
A68595
Stéphane José
Costa
A68598
Inês Varela
Gomes
A68628
Diogo Henrique
Antunes Ramôa
A68634
Guilherme
Oliveira Capela
A68635
Helena Sofia
Martins Lopes
A68643
Tiago José Alves
Gonçalves
A68661
Guilherme
Botelho Simões
A68665
Marta Catarina
Fernandes Pinto

3. Engenharia Inversa
“You need to study other people’s work. Their approaches to problem solving
and the tools they use give you a fresh way to look at your own work”
Gary Kildall
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IEEE Senior Engineer
http://images.tcdn.com.br/img/img_prod/
229827/2148_1.jpg
http://www.celmar.com/uploads/images/
11034.jpg
http://prodigystore.com/store/691-
thickbox/mini-torno-cnc-140x250.jpg

4. Análise do funcionamento do mini-torno CNC
Fabrico de componentes
Estudo dos materiais e processos de fabrico
Verificação do dimensionamento mecânico de componentes
Estudo de softwares de comando CNC
Modelação CAD
Manual de Funcionamento
Tópicos de estudo
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5. Análise de conteúdos Estado da arte
Relatórios de anos anteriores
Catálogos de vendasDesenhos técnicos
Manuais de fabricantes
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Desenvolvimento de tarefas
Manual de Instruções
de Funcionamento e
Manutenção
Estado da Arte Relatório Final

6. Identificação e caracterização dos componentes do torno mecânico
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1. Fuso principal
Componente Motriz
4. Caixa Norton
8. Fuso
11. Fuso do carro superior
2. Bucha
Componente
Funcional
3. Porta-Ferramentas
13. Carro principal
14. Carro superior
22. Cabeçote Fixo
26. Contraponto
28. Ferramenta de corte
5. Barramento
Componente
Estrutural
6. Cabeçote Móvel
9. Guias
27. Resguardo de proteção

7. Universidade do Minho
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Materiais e processos de fabrico
Elementos Processo
Componentes (cabeçote fixo e cabeçote móvel) Fundição+Maquinagem
Moldes Maquinagem
Caixas de machos Maquinagem
Sistemas de enchimento, distribuição e alimentação Maquinagem
Materiais Vantagens Desvantagens
Aço
Boa maquinabilidade, Custo e Boas
propriedades mecânicas
Massa volúmica elevada
Temperatura de fusão elevada
Ferro Fundido
Custo, Elevado módulo de
elasticidade e
Baixa condutibilidade térmica
Massa volúmica elevada
Temperatura de fusão elevada
Ligas de Alumínio
Massa volúmica reduzida e
Temperatura de fusão baixa
Custo
Liga oxidável

8. Estudo do desenho e análise dos defeitos de vazamentos anteriores
Modelação 3D dos componentes Fabrico de protótipos dos componentes
Modelação 3D final Construção de protótipos dos componentes
Projeto de fundição
Modelação 3D das caixas de machos Dimensionamento do sistema de alimentação
Construção das caixas de machos
Dimensionamento do sistema de enchimento e
distribuição
Construção Sistema Alimentação
Simulação do conjunto no software
NovaFlow&Solid™
Fabricodecomponentes
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9. Análise dos defeitos de vazamentos anteriores
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Estudo do desenho

10. Protótipos das Caixas de Machos
Universidade do Minho
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Construção das Caixas de Machos

11. Caixas de Machos
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Moldes

12. Universidade do Minho
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Placa Molde

13. Modelação 3D

14. Universidade do Minho
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Dimensionamento
do sistema de
alimentação
Dimensionamento
dos sistemas de
enchimento e
distribuição
Modelação 3D dos
sistemas
Simulação do
processo de fundição
Simulação numérica do processo de fundição

15. 1. Determinação dos pontos quentes da peça
Cabeçote fixo
Regra de Heuvers Software NovaFlow&Solid™
Universidade do Minho
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Dimensionamento
do sistema de
alimentação
Dimensionamento
dos sistemas de
enchimento e
distribuição
Modelação 3D dos
sistemas
Simulação do
processo de
fundição

16. Dimensionamento
do sistema de
alimentação
Dimensionamento
dos sistemas de
enchimento e
distribuição
Modelação 3D dos
sistemas
Simulação do
processo de
fundição
Cabeçote móvel
Regra de Heuvers Software NovaFlow&Solid™
Universidade do Minho
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17. Universidade do Minho
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2. Dimensionamento dos alimentadores
Cabeçote fixo
Analiticamente
Software NovaFlow&Solid™
Características do alimentador
Diâmetro mínimo 47.8 mm
Altura mínima 71.7 mm
Volume mínimo 0.130 dm3
Massa 0.311 kg
Dimensionamento
do sistema de
alimentação
Dimensionamento
dos sistemas de
enchimento e
distribuição
Modelação 3D dos
sistemas
Simulação do
processo de
fundição
Características do alimentador
Diâmetro mínimo 38.5 mm
Altura mínima 104 mm
Volume mínimo 0.121 dm3
Massa 0.324 kg

18. Cabeçote móvel
Analiticamente
Software NovaFlow&Solid™
Características do alimentador
Diâmetro mínimo 36.4 mm
Altura mínima 54.6 mm
Volume mínimo 0.058 dm3
Massa 0.158 kg
Características do alimentador
Diâmetro mínimo 33.9 mm
Altura mínima 50.9 mm
Volume mínimo 0.046 dm3
Massa 0.123 kg
Dimensionamento
do sistema de
alimentação
Dimensionamento
dos sistemas de
enchimento e
distribuição
Modelação 3D dos
sistemas
Simulação do
processo de
fundição
Universidade do Minho
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19. Dimensionamento
do sistema de
alimentação
Dimensionamento
dos sistemas de
enchimento e
distribuição
Modelação 3D dos
sistemas
Simulação do
processo de
fundição
3. Dimensionamento dos canais de ataque
Dados iniciais Cabeçote fixo Cabeçote móvel
Nº de ataques 2 2
Velocidade do metal nos ataques (m/s) 1 1
Tempo de enchimento (s) 3.5 3.5
Volume (peça+alimentador) (dm3) 0.635 0.251
Caudal (dm3/s) 0.181 0.072
3691Área de cada ataque (mm2)
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20. Dimensionamento
do sistema de
alimentação
Dimensionamento
dos sistemas de
enchimento e
distribuição
Modelação 3D dos
sistemas
Simulação do
processo de
fundição
Dados iniciais
Área total de ataques (cabeçote fixo) 182 mm2
Área total de ataques (cabeçote móvel) 72 mm2
Área total de ataques 254 mm2
4.1. Dimensionamento do canal de distribuição
Geometria do canal Trapezoidal
Base maior (mm) 24
Base menor (mm) 20
Altura (mm) 12
Área (mm2) 264
4. Dimensionamento dos canais de distribuição e de enchimento
De acordo com a equação da continuidade
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21. 4.2. Dimensionamento do canal de descida
Geometria do canal Troncocónico
Diâmetro menor (mm) 18
Diâmetro maior (mm) 24
Altura (mm) 75
Área mínima da secção
(mm2)
254
Dimensionamento
do sistema de
alimentação
Dimensionamento
dos sistemas de
enchimento e
distribuição
Modelação 3D dos
sistemas
Simulação do
processo de
fundição
De acordo com a equação da continuidade
Universidade do Minho
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22. Dimensionamento
do sistema de
alimentação
Dimensionamento
dos sistemas de
enchimento e
distribuição
Modelação 3D dos
sistemas
Simulação do
processo de
fundição
Bacia de vazamento + canal de descida + canal de
distribuição + canais de ataque
Alimentadores
Cabeçote fixo Cabeçote móvel
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23. Dimensionamento
do sistema de
alimentação
Dimensionamento
dos sistemas de
enchimento e
distribuição
Modelação 3D dos
sistemas
Simulação do
processo de
fundição
Simulação do processo de fundição recorrendo ao software NovaFlow&Solid™
Importação
geometria
sistema
Parâmetros
iniciais
Menu
Simulação
Análise
Resultados
•abertura do ficheiro .stl
• posicionamento do
sistema
• gravação do ficheiro
em formato .cvg
• abertura do ficheiro .cvg
• definição dos materiais
• definição dos pontos de
vazamento e de alimentação
• definição dos parâmetros de
enchimento
• simulação do processo de
fundição dos componentes
• análise dos resultados
obtidos
-tempo de solidificação
- distribuição da
temperatura ao longo do
processo
- percentagem de
rechupe
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24. Dimensionamento
do sistema de
alimentação
Dimensionamento
dos sistemas de
enchimento e
distribuição
Modelação 3D dos
sistemas
Simulação do
processo de
fundição
Resultados obtidos
Tal como esperado, verificou-se a
ocorrência de rechupe nos
alimentadores e na bacia de
enchimento
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25. Cadeia de Acionamentos da Máquina e respetivo Comando
Componente
Tipo de
movimento
Transmissão de
movimento
Acionamento
Comando Manual Comando Automático
Carro
Deslocamento em
x
Contacto Direto Alavanca/Manivela Motor de passo
Árvore Rotação da peça
Contacto Direto
Ligação Flexível
Caixa de velocidades
Motor que permite
mudança de
velocidade
Cabeçote
móvel
Deslocamento em
z
Contacto Direto Alavanca/Manivela Motor de passo
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26. Comando automático e análise dos softwares CNC
Interpretação das informações/instruções definidas no programa e
controlo dos motores de passo
Transmissão das instruções/informações (Código G) à placa de controlo
via USB ou Wi-fi
Formulação de instruções (manualmente ou por CAM) a serem
interpretadas e executadas pela máquina CNC
Utilização de software CAM obtendo informações do processo de
fabrico do componente
Modelação do componente em Software CAD
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27. Placa de controlo
• Interpreta as informações/instruções
definidas no programa;
• Controla os motores de passo;
• Permite o controlo dos dois eixos
necessários para o funcionamento do mini-
torno:
• Movimento do carro longitudinal (eixo Z)
• Movimento do carro transversal (eixo X)
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28. Software NINOS Tournage™
• Permite a interação CAD/CAM
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29. Dimensionamento mecânico de componentes
Universidade do Minho
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Determinação da
situação crítica de
maquinagem
Cálculo das
forças
Torneamento sem
recorrer ao
contraponto
Forças totalmente
suportadas pelo
cabeçote móvel
Reações nas guias
Dimensionamen
to do motor

30. • Situação crítica: Parâmetros considerados
Material utilizado Aço ao Carbono AISI 1060 (Aço duro)
Avanço (f) 0.20 mm/rot
Penetração (Ap) 2 mm
Relação de Corte (G) 10
Ângulo de posição (χr) 75o
Ângulo de Ataque (γ) 14o
Velocidade de Corte (Vc) 15 m/min
Diâmetro máximo maquinável 150 mm
Força de corte (tangencial) 𝐹𝐹𝑐𝑐 = 852 𝑁𝑁
Força de penetração (axial) 𝐹𝐹𝑓𝑓 = 𝐹𝐹𝑐𝑐 × �1
5 = 171 𝑁𝑁
Força de avanço (axial) 𝐹𝐹𝑎𝑎𝑎𝑎 = 𝐹𝐹𝑐𝑐 × �2
5 = 341 𝑁𝑁
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31. • Dimensionamento do motor
Momento máximo que o motor tem que ter 𝑇𝑇𝑀𝑀 = 63,9 𝑁𝑁𝑁𝑁
Velocidade angular máxima 𝜔𝜔 = 3,3 3 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟/𝑠𝑠
Potência máxima que o motor deve
desenvolver
𝑃𝑃 = 212,8 𝑊𝑊
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Número do Modelo 82zyt180- 150- 2000
Binário 716 mN.m
Potência de saída 300W
Comutação Escova
Diâmetro externo 82mm
Velocidade 2000 rpm
Tensão 180 V

32. • Cálculo das forças
Torneamento com a utilização de contraponto Estrutura hiperestática
Situações analisadas
i. Torneamento sem se recorrer ao contraponto
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Fc
Ff
Fap
RxB
RyB
RxA
RyA
RzA
Rtc
RxB
RyB
RxA
RyA
RzA
Rtc

33. • Cálculo das forças
Situações analisadas
ii. Situação hipotética: As forças aplicadas pela ferramenta à peça são suportadas pelo cabeçote
móvel (à exceção da força de avanço)
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34. • Cálculo das forças nas guias
Forças de corte,
penetração e avanço
Pastilha de corte Porta-ferramentas Guias de deslizamento
i. Guia prismática de secção reta uniforme (guia retangular)
• Restrição do tipo aberta
• Transladação no sentido axial
Forma geométrica mais comum
Guia retangular
Não permite deslocamentos
em y
Guia prismática
Distribuição mais uniforme
dos esforços (geralmente as
mais utilizadas
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35. • Cálculo das forças nas guias
ii. Guia cilíndrica sem restrição do tipo
aberta
• Transladação no sentido axial
• Momento em torno do eixo dos xx e do
eixo dos yy
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36. Previsão Inicial
Se
1
Se
2
Se
3
Se
4
Se
5
Se
6
Se
7
Se
8
Se
9
Se
10
Se
11
Se
12
Se
13
Se
14
NATAL
Se
15
Se
16
Se
17
Se
18
Se
19
Se
20
SEMINÁRIO 1 - Projeto para o Fabrico
SEMINÁRIO 2 - Propriedade Intelectual
Apresentação MEIA-VIDA
Apresentação FINAL
Entrega Relatório Final
Discussão Individual do Relatório Final
A. Análise de Conteúdo
B. Redação do Estado de Arte
C. Fabrico do Componente
D. Estudo dos materiais dos comp. torno
E. Estudo processos fabrico comp.
F. Dimension. mecânico componentes
G. Estudo cadeia cinemática mov.
H. Estudo de softwares comando CNC
I. Modelação CAD
J. Manual de funcionamento
Universidade do Minho
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Plano de Tarefas

37. Concretização
Universidade do Minho
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Se
1
Se
2
Se
3
Se
4
Se
5
Se
6
Se
7
Se
8
Se
9
Se
10
Se
11
Se
12
Se
13
Se
14
NATAL
Se
15
Se
16
Se
17
Se
18
Se
19
Se
20
SEMINÁRIO 1 - Projeto para o Fabrico
SEMINÁRIO 2 - Propriedade Intelectual
Apresentação MEIA-VIDA
Apresentação FINAL
Entrega Relatório Final
Discussão Individual do Relatório Final
A. Análise de Conteúdo
B. Redação do Estado de Arte
C. Fabrico do Componente
D. Estudo dos materiais dos comp. torno
E. Estudo processos fabrico comp.
F. Dimension. mecânico componentes
G. Estudo cadeia cinemática mov.
H. Estudo de softwares comando CNC
I. Modelação CAD
J. Manual de funcionamento

38. Evolução face aos trabalhos anteriores
Fundição de componentes
• Construção da caixa de machos para o cabeçote móvel;
• Correção do molde e da caixa de machos do cabeçote fixo;
• Correção dos cálculos efetuados para o sistema de enchimento e alimentação de ambos
os componentes;
• Correção da localização do alimentador do cabeçote fixo;
• Definição da localização do alimentador do cabeçote móvel;
• Elaboração de diferentes simulações numéricas para análise de diferentes soluções;
• Elaboração do manual de instruções para utilização do software NovaFlow&Solid™
Universidade do Minho
Escola de Engenharia - Departamento de Engenharia Mecânica
Estado da arte
• Organização e sistematização da informação recolhida.

39. Cálculo de esforços e dimensionamento de componentes
• Correção do estudo realizado para as guias do barramento;
• Realização do estudo dos esforços atuantes no torno;
• Alteração dos parâmetros de maquinagem para novo estudo dos esforços atuantes
no torno;
• Dimensionamento e seleção do motor
Universidade do Minho
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Softwares CNC e placa de controlo
• Estudo das plataformas de comunicação entre computador e máquina de controlo
numérico;
• Estudo dos softwares CNC disponíveis;
• Estudo do software adaptado ao torno CNC - NinosTournage™;
• Elaboração do manual de instruções para utilização do software NinosTournage™;
• Estudo da placa de controlo a utilizar.