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Carlos Filipe Fernandes Monteiro

CORTE DE PEDRA POR FIO DIAMANTADO

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Universidade do MinhoEscola de Engenharia

outubro de 2014

Dissertação de MestradoCiclo de Estudos Integrados Conducentes aoGrau de Mestre em Engenharia Mecânica

Trabalho efetuado sob a orientação doProfessor Doutor António Alberto Caetano Monteiro

e coorientação doProfessor Doutor João Pedro Mendonça A. Silva

Carlos Filipe Fernandes Monteiro


Universidade do MinhoEscola de Engenharia

Corte de pedra por fio diamantado

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AGRADECIMENTOS

Queria agradecer a todas as pessoas que, direta ou indiretamente, me ajudaram e contribuíram para a

realização deste trabalho, em especial:

Ao Professor Alberto Caetano Monteiro pelo apoio e orientação, que permitiu o evoluir do trabalho.

Ao Professor João Pedro Mendonça pelo tempo que dedicou a este trabalho.

À empresa D2 Technology pela oportunidade concedida para obter experiencia profissional

Muito obrigado!


i

RESUMO

A área das rochas ornamentais e de revestimento constitui uma das mais promissoras no sector

mineral, com uma taxa média anual de crescimento da produção mundial superior a 6% ao ano,

nos últimos 20 anos. Constituem um produto com elevado interesse à escala mundial não só devido

às suas propriedades naturais (estéticas e estruturais) mas sobretudo pela diversidade de

aplicações, que incluem a arquitetura e a construção civil. Desenvolvimentos tecnológicos recentes

do tratamento da pedra, desde a pedreira ao acabamento final, fazem prever um elevado

investimento em novos equipamentos e apontam para a necessidade de conduzir investigação

aplicável ao domínio. As tecnologias de corte, têm sido alvo de grande atenção principalmente por

parte das várias indústrias de exploração e transformação de rochas naturais. Parece evidente

contudo existir necessidade de melhor caracterização dos novos processos de corte, em particular

do corte por fio diamantado. Esta técnica é caracterizada por permitir uma grande diversidade de

operações de corte que lhe confere elevada versatilidade, apresentando elevadas taxa e velocidade

de corte, permitindo a obtenção de uma espessura média de corte reduzida, com baixo desperdício

de matéria-prima e um traçado de corte muito regular de que resulta um excelente acabamento

superficial. Os equipamentos utilizados por esta tecnologia apresentam um reduzido custo de

manutenção, permitem realizar multicorte, e, por controlo numérico fica possibilitada a obtenção

de geometrias tridimensionais, quer diretamente por orientação da direção do fio de corte, quer

pela utilização de cabeças de corte com ferramentas convencionais. O corte por fio diamantado é

conseguido por abrasão entre a pedra e a ferramenta, constituída por de pérolas diamantadas

montadas num cabo de aço, o qual é arrastado e orientado por meio de um sistema adequado de

polias. A abordagem desta tecnologia tem sido empírica, pelo que o principal objetivo deste

trabalho incide sobre o estudo sistematizado dos principais parâmetros envolvidos, não só para

melhorar as condições operacionais dos equipamentos em utilização mas também para permitir o

desenvolvimento de equipamentos mais eficazes, robustos e económicos. Neste sentido, foi

modelado um protótipo de um equipamento de corte de pedra por fio diamantado. Posto isto é

notório um elevado desconhecimento relativo à tecnologia de corte de pedra por fio diamantado,

aliado a um enorme potencial evolutivo desta tecnologia de corte, dada a sua vasta aplicação em

diversas operações fabris nas rochas ornamentais.

Palavras-chave: Corte de pedra; Fio diamantado; CNC.


i

ABSTRACT

The area of ornamental rocks and coating is one of the most promising in the mineral sector, with

an average annual growth rate of over 6% per year over the last 20 years. Rocks are a product

highly interesting not only because of its natural properties (either structural and aesthetic) but

rather by the diversity of the applications, including architecture and construction. Recent

technological developments in stone treatment from the quarry to the final finished product, do

provide high investment in new equipment and point to the necessity of developing further

research. Cutting technologies have attracted a lot of attention especially from the industries of

natural rocks exploitation and processing. It seems clear however there is a need to better

characterize the new cutting processes, in particular diamond wire cutting technology. The

technique is characterized by allowing a wide range of cutting conditions, what allows great

versatility, high rate and speed cutting operations, so allowing to obtain a mean reduced section

thickness, with low waste of raw materials and a very regular cut path also offering excellent

surface finishing. The equipment used in this technology have reduced maintenance costs,

allowing to perform multi slice, and by using numerical control obtaining three-dimensional

geometries is made possible, either directly by orientation the direction of the cutting wire or by

the use of tools with conventional cutting heads. The diamond wire cutting is done by abrasion

between the stone and the tool, consisting of diamond beads mounted on a steel cable, which is

dragged through a proper system of pulleys. The approach of this technology has been empirical,

which justifies a systematic study of the main parameters involved, not only to improve the

operating conditions of the equipment in use but also to allow the development of more efficient,

robust and economical equipment. In this sense, it was modelling a prototype of a stone cutting

equipment by diamond wire. In resume, it is clear a high ignorance on the diamond wire for stone

cutting technology, combined with a huge evolutionary potential of this cutting technology, given

its wide application in various manufacturing operations in ornamental rocks.

Keywords: Stone cutting; Diamond wire; CNC machines.


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ÍNDICE

1 INTRODUÇÃO AO TEMA ..................................................................................................... 1

2 CONTEXTUALIZAÇÃO HISTÓRICA DA TECNOLOGIA ................................................ 3

3 ESTADO DA ARTE ................................................................................................................ 5

3.1 Enquadramento do fio diamantado nas diversas tecnologias de corte de pedra ............... 5

3.2 Análise do funcionamento da máquina de corte ............................................................... 6

3.2.1 Máquina de corte para exploração de pedra ................................................................ 6

3.2.2 Máquinas convencionais para o desmonte dos blocos rochosos ................................. 7

3.3 Funções preparatórias ....................................................................................................... 9

3.3.1 Torção do fio diamantado ........................................................................................... 9

3.3.2 Execução de emendas do fio diamantado ................................................................. 10

3.3.3 Realização de furos no maciço rochoso .................................................................... 10

3.4 Versatilidade de Orientação do fio diamantado ............................................................. 11

3.5 Fio diamantado ............................................................................................................... 13

3.5.1 Cabo de aço ............................................................................................................... 13

3.5.2 Revestimentos do fio diamantado ............................................................................. 14

3.5.3 Pérolas diamantadas .................................................................................................. 14

3.6 Problemas associados ao processo de corte de pedra com fio diamantado .................... 15

4 ESTUDO DO CORTE DE PEDRA POR FIO DIAMANTADO .......................................... 19

5 PARAMETRIZAÇÃO DO CORTE DE PEDRA POR FIO DIAMANTADO ..................... 25

6 PROSPEÇÃO INDUSTRIAL E ECONÓMICA DA TECNOLOGIA DE CORTE POR FIO

DIAMANTADO ........................................................................................................................... 31

7 PROJETO DO EQUIPAMENTO DE CORTE ...................................................................... 33

7.1 Metodologia de projeto ................................................................................................... 33

7.2 Definição da tarefa .......................................................................................................... 35

7.3 Lista de requisitos ........................................................................................................... 35

7.3.1 Especificações técnicas das rochas ........................................................................... 36

7.4 Análise/Estrutura de Funções ......................................................................................... 37

7.5 Soluções iniciais ............................................................................................................. 38

7.5.1 Colocação da chapa ................................................................................................... 38

7.5.2 Operações antecedentes ao processo de corte ........................................................... 39

7.5.3 Processo de corte ....................................................................................................... 41

7.6 Recolha de chapa ............................................................................................................ 50

7.7 Avaliação das soluções ................................................................................................... 50

8 SELEÇÃO E DIMENSIONAMENTO DOS COMPONENTES CONSTITUINTES DO

PROTÓTIPO ................................................................................................................................. 55

8.1 Sistema de polias ............................................................................................................ 55

8.2 Sistema de medição da tensão exercida sobre o fio diamantado .................................... 56

8.3 Colunas do pórtico .......................................................................................................... 63


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8.4 Sistema de transmissão do movimento sincronizado das estruturas das polias ............. 64

8.5 Sistema de transmissão do movimento sincronizado das colunas do pórtico ................ 66

8.6 Especificações técnicas do protótipo .............................................................................. 66

8.7 Modelação do protótipo.................................................................................................. 67

9 TRABALHOS FUTUROS ..................................................................................................... 69

10 CONCLUSÕES E CRÍTICAS AO TRABALHO DESENVOLVIDO NA ÁREA ATÉ À

ATUALIDADE ............................................................................................................................. 71

11 BIBLIOGRAFIA .............................................................................................................. 73


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ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1- Fio diamantado ................................................................................................................ 3

Figura 2 – Fio helicoidal ................................................................................................................. 4

Figura 3 - Máquina de corte utilizada na lavra de pedra ................................................................. 6

Figura 4 - Máquina de corte multifios ............................................................................................ 7

Figura 5 - Máquina de corte monofio .............................................................................................. 8

Figura 6 - Máquina de corte estacionária controlada por computador ............................................ 8

Figura 7 - Ilustração da torção ocorrida no fio diamantado ............................................................ 9

Figura 8 - Ilustração da execução de emendas .............................................................................. 10

Figura 9 - Ilustração da execução de furos no maciço rochoso .................................................... 10

Figura 10 - Corte vertical normal .................................................................................................. 11

Figura 11 - Corte vertical em "L" .................................................................................................. 11

Figura 12 - Corte horizontal normal .............................................................................................. 12

Figura 13 - Corte horizontal em "L" ............................................................................................. 12

Figura 14 - Corte cego .................................................................................................................. 12

Figura 15 - Composição do cabo de aço ....................................................................................... 13

Figura 16 - Fio Diamantado revestido com molas metálicas ........................................................ 14

Figura 17 - Fio Diamantado com revestimento em plástico ......................................................... 14

Figura 18 - Fio diamantado com revestimento em borracha ......................................................... 14

Figura 19 - Pérolas Sinterizadas .................................................................................................... 14

Figura 20 - Pérolas eletrolíticas ..................................................................................................... 15

Figura 21 - Ilustração do ângulo de ataque do fio diamantado com a superfície de corte nos

diferentes tipos de equipamentos de corte ..................................................................................... 16

Figura 22 - Ilustração do desgaste diferencial da pérola diamantada ........................................... 16

Figura 23 - Ilustração da execução de emendas ............................................................................ 17

Figura 24 - Ilustração do efeito cometa na pérola diamantada ..................................................... 17

Figura 25 - Ilustração do revestimento do fio diamantado compactado ....................................... 17

Figura 26 - Ilustração da conicidade das pérolas diamantadas .................................................... 18

Figura 27 - Ilustração da fragmentação das pérolas diamantadas ................................................. 18

Figura 28 - Representação das forças atuantes sobre o fio diamantado ........................................ 19

Figura 29 - Representação esquemática do corte de pedra por fio diamantado e divisão deste em

zonas específicas durante a operação de corte .............................................................................. 20

Figura 30 - Representação esquemática do corte de pedra por fio diamantado e divisão deste em

zonas específicas durante a operação de corte .............................................................................. 21

Figura 31 - Representação do movimento das pérolas diamantadas durante a operação de corte 22

Figura 32 - Forças aplicadas sobre a pérola diamantada durante o processo de corte .................. 22

Figura 33 - Representação do movimento do equipamento de corte em relação ao maciço rochoso

....................................................................................................................................................... 26

Figura 34 – Diagrama das fases do projeto do produto onde são realizadas pesquisas e

desenvolvimentos .......................................................................................................................... 33

https://d.docs.live.net/259a20484dce47b2/Documentos/5º%20Ano/5ºano%20-%201º%20semestre/Tese/Dissertação/Dissertação%20Corte%20de%20pedra%20por%20fio%20diamantado%20ultima.docx#_Toc408404550































ii

Figura 35 - Diagrama da metedologia de projeto mecânico adotada (Fonte: [31]) ...................... 34

Figura 36 - Árvore de objetivos do projeto ................................................................................... 36

Figura 37 – Dimensões máximas da chapa ................................................................................... 37

Figura 38 – Estrutura de funções do produto ................................................................................ 37

Figura 39 - Ponte rolante ............................................................................................................... 38

Figura 40 – Garra .......................................................................................................................... 38

Figura 41 - Cabo de aço ................................................................................................................ 39

Figura 42 – Ventosas..................................................................................................................... 39

Figura 43 - Atuador linear ............................................................................................................. 40

Figura 44 - Carenagem da estrutura envolvente do fio diamantado ............................................. 40

Figura 45 – Representação esquemática do mecanismo de movimentação da estrutura metálica 41

Figura 46 – Representação esquemática da operação de corte com movimentação da chapa ...... 42

Figura 47 - Representação esquemática da operação de corte com movimentação da Mesa ....... 42

Figura 48 - Representação esquemática da operação de corte com movimentação da estrutura

envolvente do fio diamantado ....................................................................................................... 43

Figura 49 - Representação esquemática do sistema de polias ...................................................... 43

Figura 50 - Representação esquemática do sistema de polias com o sistema de medição da tensão

do fio diamantado.......................................................................................................................... 44

Figura 51 - Ilustração de um transformador diferencial variável linear ....................................... 45

Figura 52 - Representação do sistema de medição da tensão exercida sobre o fio diamantado ... 46

Figura 53 - Representação da deformação da mola helicoidal no sistema de medição da tensão

exercida sobre o fio diamantado ................................................................................................... 46

Figura 54 - Exemplo de configuração da área de trabalho ........................................................... 47

Figura 55 - Representação esquemática da chapa a seccionar sem alocação de suportes ao longo

do perfil de corte ........................................................................................................................... 48

Figura 56 - Representação esquemática das placas de nylon ao longo do perfil de corte gerado . 48

Figura 57 - Representação esquemática dos diferentes tipos placas de nylon .............................. 48

Figura 58 - Representação esquemática do depósito com as placas de nylon .............................. 49

Figura 59 - Representação esquemática do veio do depósito das placas de nylon ....................... 49

Figura 60 - Representação esquemática do alimentador das placas de nylon ............................... 49

Figura 61- Representação do sentido e direção da carga exercida pelos patins da guia linear nas

vigas do pórtico, com base na curvatura do fio diamantado ......................................................... 63

Figura 62- Perfil cantoneira de abas iguais ................................................................................... 64

Figura 63 - Representação esquemática do mecanismo de movimentação da estrutura metálica 65

Figura 64 - Ilustração do sistema de equilíbrio de massas das estruturas das polias .................... 65

Figura 65 – Perspetiva frontal do protótipo .................................................................................. 67

Figura 66 – Perspetiva da retaguarda do protótipo ....................................................................... 67













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ÍNDICE DE TABELAS

Tabela 1 - Comparação técnico-económica das tecnologias existentes para a exploração de

Mármore .......................................................................................................................................... 5

Tabela 2 - Comparação técnico-económica das tecnologias existentes para a exploração de Granito

......................................................................................................................................................... 6

Tabela 3 - Parâmetros de corte de pedra por fio diamantado ........................................................ 25

Tabela 4 – Solução 1 ..................................................................................................................... 50

Tabela 5 - Solução 2 ...................................................................................................................... 51

Tabela 6 - Solução 3 ...................................................................................................................... 51

Tabela 7 - Solução 4 ...................................................................................................................... 51

Tabela 8 - Matriz de comparação .................................................................................................. 52

Tabela 9 – Avaliação das soluções ................................................................................................ 53

Tabela 10 - Valores dos vários fatores que formulam as equações 3 e 4 ...................................... 56

Tabela 11 - Valores dos fatores que formulam a equação 5 ......................................................... 56



Tabela 14 - Valores dos fatores que formulam a equação 12 ....................................................... 58



Tabela 17 - Valores dos fatores que formulam a equação 7 e 10 .................................................. 59











Tabela 28 - Caraterísticas da mola helicoidal de compressão dimensionada ............................... 62

Tabela 29 - Valores dos vários fatores intervenientes na equação 23 ........................................... 64

Tabela 30 - Especificações técnicas do protótipo ......................................................................... 66

Tabela 31 – Parâmetros de corte de pedra por fio diamantado ....................................................... 7


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ÍNDICE DE GRÁFICOS

Gráfico 1 - Representação Gráfica da variação da tensão exercida sobre o fio diamantado ........ 20

Gráfico 2 - Representação Gráfica da variação da tensão exercida sobre o fio diamantado ........ 21

Gráfico 3 - Influência da velocidade periférica e da tração sobre o fio diamantado no desgaste das

pérolas diamantadas no corte de mármores ................................................................................... 26





Gráfico 6 - Influência da velocidade periférica e da tração sobre fio o fio diamantado na

produtividade da operação de corte de mármores ......................................................................... 28

Gráfico 7 -Influência da velocidade periférica e da tração sobre fio o diamantado na produtividade

da operação de corte de mármores ................................................................................................ 28

Gráfico 8 - Influência da velocidade periférica e da tração sobre fio o diamantado na produtividade

da operação de corte de mármores ................................................................................................ 29

Gráfico 9 - Evolução das exportações portuguesas dos produtos em pedra ................................. 32
















Monteiro, Carlos 1

1 INTRODUÇÃO AO TEMA

As rochas ornamentais1 são um produto com elevado interesse devido às propriedades

características e à sua diversidade de aplicações [1][2]. As aplicações das rochas ornamentais são

consideradas quase ilimitadas, e podem ser divididas em 4 grupos principais: arquitetura e

construção (os grupos com maior relevância), revestimento de elementos urbanos, arte e

decoração. As técnicas de corte aplicadas na exploração de rochas ornamentais provenientes de

maciços rochosos requerem tecnologia, também necessária posteriormente para o processamento

dos blocos resultantes da fase de exploração. Assiste-se hoje à evolução das várias tecnologias de

corte de pedra existentes e ao desenvolvimento de outras, potenciada pelas possibilidades técnicas

atuais. O corte de pedra por fio diamantado é uma técnica recente, e tem proliferado em diversos

sectores industriais, principalmente na construção civil e na exploração das rochas naturais. Esta

tecnologia de corte apresenta uma elevada versatilidade de operações de corte, e é caracterizada

pela sua elevada velocidade de corte. Esta tecnologia consegue reduzir a espessura média de corte

permitindo assim reduzir o desperdício de pedra em comparação com outras tecnologias, e ainda

um traçado de corte muito regular aliado a um excelente acabamento superficial [3]. Contudo, não

se encontram bem especificados os parâmetros de corte mais adequados para o corte dos diferentes

tipos de pedra. Parece pois justificar-se a realização de estudos sobre a tecnologia de corte de pedra

por fio diamantado com o objetivo de desenvolver melhorias, quer ao nível da ferramenta de corte,

quer do controlo dos equipamentos ou ainda no desenvolvimento de novos equipamentos de corte.

O presente trabalho tem como objetivo o estudo da tecnologia de corte por fio diamantado. Numa

primeira etapa foi realizado um levantamento do estado da arte relativo à tecnologia de corte de

pedra por fio diamantado. Seguidamente realizou-se o estudo do corte de pedra por fio diamantado,

análise e reflexão crítica sobre a influência no processo de corte dos diversos parâmetros de corte

associados a esta tecnologia. Por fim foi realizada uma análise relativa à prospeção industrial e

económica da tecnologia de corte de pedra por fio diamantado. Numa segunda, foi adotada uma

metodologia de projeto mecânico que culminou com a realização de um modelo conceptual

relativo a um equipamento de corte por fio diamantado. Este modelo concetual teve por base a

lista de requisitos imposta pela empresa, D2 Technology, e toda a componente teórica presente

neste trabalho. Por fim, são dadas sugestões de trabalhos e áreas de interesse de estudos no futuro

e também as principais conclusões.

1A Rocha ornamental é definida como uma substância rochosa natural que, submetida a diferentes graus de

modelamento ou beneficiamento, pode ser utilizada em diversas aplicações [4].


Monteiro, Carlos 3

2 CONTEXTUALIZAÇÃO HISTÓRICA DA TECNOLOGIA

As rochas ornamentais sempre tiveram, desde a pré-história até aos dias de hoje, um papel

importante na vida do ser humano devido às inúmeras áreas de aplicação em que são empregues.

Segundo factos históricos, os primeiros povos a utilizar rochas ornamentais na construção

urbanística foram os Egípcios e os Mesopotâmios por volta de 3000 antes de Cristo [2].

Posteriormente, os gregos difundiram a utilização de rochas ornamentais por meio da escultura e

da arquitetura [2]. Os romanos por volta do ano 80 antes de Cristo, tornaram-se os pioneiros no

sector da construção urbanística com a utilização de rochas ornamentais e revestimentos, pois estas

ofereciam uma maior robustez e durabilidade da obra [2][5]. Nessa época, Roma explorava o

mármore travertino, numa região denominada de Tivoli [2]. Posteriormente, a exploração foi

deslocada para as montanhas de Apuanas, tendo o centro de produção na região de Carrara, cuja

tradição na exploração de mármore perdura até à atualidade [2].

A construção de casas, principalmente nos países junto ao mar Mediterrâneo, é realizada com

rochas ornamentais devido à abundância das mesmas nesta região e também pelas suas

propriedades térmicas que se adequam ao clima característico do local.

Portugal insere-se na região do Mediterrâneo e tem a tradição de utilizar, principalmente no sector

da construção civil, as rochas ornamentais, fruto dos recursos naturais e do conhecimento existente

no sector industrial em análise. O país tem uma indústria ativa que explora os recursos rochosos

existentes, principalmente o mármore e granito, mas também, possui uma indústria produtora de

equipamentos, máquinas e ferramentas de corte de pedra. Portugal e os países onde se fala a língua

portuguesa, nomeadamente o Brasil, apresentam um importante mercado no sector industrial em

estudo no presente trabalho. Normalmente, as empresas internacionais produtoras dos mais

diversos equipamentos para as várias indústrias do sector, têm o cuidado de traduzir a sua página

de internet para português, o que demonstra a importância do mercado do setor da pedra.

No início do século XX ocorreu uma enorme expansão comercial das rochas ornamentais,

conjugado com um avanço tecnológico notório do parque industrial das diversas empresas

inseridas no sector da exploração de rochas ornamentais bem como no sector de transformação de

blocos rochosos [2].

O presente trabalho aborda o estudo de uma técnica de corte de pedra desenvolvida recentemente.

O corte de pedra por fio diamantado reflete o desenvolvimento tecnológico evidenciado nos

últimos tempos.

O fio diamantado (Figura 1) foi inventado por uma empresa designada por Diamant Boart, há

precisamente 35 anos, cuja finalidade era a extração de mármore [6].

Figura 1- Fio diamantado (Fonte: http://br.all.biz/img/br/catalog/28021.jpeg,

acedido a 10/10/2014)


Monteiro, Carlos 4

As primeiras ferramentas de corte foram aplicadas na exploração de mármore em Carrara, no norte

de Itália [5]. Esta região é conhecida internacionalmente pela bela combinação de cores adjacentes

ao mármore explorado. Pouco tempo após da invenção do fio diamantado, várias empresas ligadas

à exploração de mármore substituíram a ferramenta de corte. Até à data, era utilizado o fio

helicoidal, como ferramenta de corte, para exploração de mármore (Tabela A do Anexo I) [6]. O

fio helicoidal (Figura 2) consiste, no enrolamento de três cabos de aço em torno de um eixo.

Esta ferramenta de corte só é aplicável em rochas macias, como o mármore, e na atualidade é uma

tecnologia obsoleta. Em meados dos anos 80, a empresa que desenvolveu o fio diamantado,

evoluiu a mesma ferramenta de corte para a lavra de granito [6]. Subjacente à implementação da

ferramenta de corte descrita, foram desenvolvidos novos equipamentos, pérolas diamantadas e

revestimentos mais resistentes ao desgaste e à corrosão, devido às propriedades intrínsecas da

rocha a cortar.

O sucesso foi tal que, a maioria das industrias que exploravam rochas duras e abrasivas, como o

granito, adotou esta nova técnica de corte.

Atualmente, esta técnica de corte de pedra tem vindo a ser empregue em máquinas de desmonte

de blocos rochosos. Devido ao elevado interesse, na tecnologia de corte, da indústria do

esquadrejamento de blocos rochosos, foram desenvolvidas alterações na configuração do fio

diamantado.

Figura 2 – Fio helicoidal

(Fonte: http://t1.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcQIztpQxJi6c2Q_2XIqqUcp0pZYG7bZBUT9hm--

Eor1A55x7idoFg, acedido a 10/10/2014)


Monteiro, Carlos 5

3 ESTADO DA ARTE

3.1 Enquadramento do fio diamantado nas diversas tecnologias de corte de pedra

O corte de pedra pode ser realizado adotando-se várias técnicas, a escolha depende do tipo de

rocha a cortar, das condicionantes geométricas das mesma e das restrições operacionais de cada

operação. A constante evolução conferida aos equipamentos de corte e às ferramentas de corte

provocou o desuso e consequente extinção de algumas técnicas de corte em detrimento de outras.

Após uma análise das especificações de corte realizada às técnicas de corte de pedra mais usuais,

conclui-se que as técnicas com melhor desempenho e mais lucrativas são o cortador por corrente

e o corte por fio diamantado, como se pode verificar na Tabela 1 e Tabela 2. O fio diamantado é

mais utilizado que o cortador por corrente, uma vez que é uma técnica com um custo de

implementação inferior e com maior versatilidade de tipos de corte [3]. A técnica de corte de pedra

por fio diamantado é caracterizada pela sua elevada versatilidade de operações, elevada velocidade

de corte, obtenção de uma espessura média de corte insignificante e um baixo desperdício de pedra

comparado com outras tecnologias e um traçado de corte muito regular aliado a um excelente

acabamento superficial.

Tabela 1 - Comparação técnico-económica das tecnologias existentes para a exploração de Mármore (Fonte: [3])

Legenda:

EXPL – Uso de

explosivos;

FH – Fio helicoidal;

FD – Fio

diamantado;

CC – Cortador por

corrente;

CMH – Cunha

metálica ou

hidráulica;


Monteiro, Carlos 6

Tabela 2 - Comparação técnico-económica das tecnologias existentes para a exploração de Granito (Fonte: [3])

Legenda:

EXPL – Uso de

explosivos;

FH – Fio helicoidal;

FD – Fio diamantado;

CC – Cortador por

corrente;

CMH – Cunha

metálica ou

hidráulica;

3.2 Análise do funcionamento da máquina de corte

3.2.1 Máquina de corte para exploração de pedra

A máquina de corte utilizada na exploração de pedra (Figura 3) tem na sua constituição dois

motores, elétricos ou a diesel, e a sua estrutura está assente sobre carris, cujo seu deslocamento é

realizado por um sistema cremalheira pinhão [7].

Figura 3 - Máquina de corte utilizada na lavra de pedra (Fonte: https://encrypted-

tbn0.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcSBCvdKbWBQLrTWV6JuhGRc6tU3uVnfx94LcGq8YcjLy8BverIB,

acedido a 07/11/2014)

Um dos motores é responsável pelo acionamento da polia motora, o outro motor tem a função de

deslocar a máquina de corte sobre os carris. O movimento linear do fio diamantado é realizado

pela rotação da polia motora, posicionada verticalmente e lateralmente à máquina, conjugado a um


Monteiro, Carlos 7

sistema de polias e hastes de acordo com o plano a ser cortado. Durante o processo de corte os

valores da velocidade linear e a velocidade de avanço são introduzidos no controlo numérico da

máquina e mantidos constantes. A conjugação dos parâmetros inseridos no controlo numérico com

as condições de corte originam uma determinada tensão exercida sobre o fio diamantado [7][8]. A

tensão da ferramenta de corte é provocada principalmente pela conjugação do movimento de

avanço, ou seja, o movimento da máquina de corte sobre os trilhos no sentido oposto ao bloco

rochoso a cortar, com o comprimento de fio diamantado interessado no corte. Neste tipo de

equipamentos o comprimento do fio diamantado interessado no corte é variável ao longo do

processo de corte, cujo fenómeno justifica a variação da tensão exercida sobre este. A tensão do

fio diamantado deve ser mantida dentro de valores específicos para evitar o rompimento deste

durante o corte [7]. Porém, atualmente existem equipamentos desenvolvidos, pela maioria dos

fabricantes deste tipo de máquinas, com sistemas de monitorização da tensão sobre o cabo de aço

do fio diamantado2. O principal objetivo destes equipamentos é melhorar a produtividade de corte,

aumentar a longevidade da ferramenta e reduzir o risco de rompimento do cabo de aço.

A ação de corte tem como base o atrito entre as pérolas diamantadas e a superfície rochosa. Durante

processo de corte ocorre a lubrificação com água, onde o principal propósito é reduzir a

temperatura da superfície de corte e da ferramenta de corte. Devido à lubrificação, ocorre uma

formação de lamas abrasivas, proveniente das poeiras e pequenas partículas rochosas misturadas

com água, sendo um fator relevante no processo de corte [3].

3.2.2 Máquinas convencionais para o desmonte dos blocos rochosos

As máquinas de corte multifios (Figura 4), as máquinas de corte monofio (Figura 5) e a máquinas

de corte monofio CNC com dois eixos coordenados (Figura 6), são as que tem maior presença no

parque de máquinas da indústria do setor do desmonte de blocos rochosas.

Figura 4 - Máquina de corte multifios (Fonte: http://img.directindustry.com/images_di/photo-g/diamond-wire-

cutting-machines-multi-wire-granite-69464-3140393.jpg, acedido a 11/11/2014)

2 http://www.poeiras.com/#!master-cut/c1gpq, acedido a 22/11/2014;

http://www.poeiras.com/#!master-cut/c1gpq


Monteiro, Carlos 8

As máquinas de corte convencionalmente utilizadas para o desmonte dos blocos rochosos, têm um

sistema simples de polias, onde uma das polias é a polia motora e outra é a polia tratora.

Atualmente, este tipo de equipamentos utiliza duas polias no seu sistema de polias, no entanto já

se verifica a utilização de mais polias por parte de alguns construtores de máquinas. O movimento

de rotação da polia motora provoca o movimento linear do fio diamantado pelo sistema de polias.

A transmissão do movimento é assegurada pelas forças de atrito que se desenvolvem na superfície

de contato do fio diamantado com a polia motora. Neste sentido, o fio diamantado deve ser sujeito

a uma determinada tensão para que a força de atrito gerada, entre a polia motora e o fio diamantado,

seja suficiente para este se movimentar linearmente. Desta forma, o tensionamento ocorre por meio

da movimentação da polia tratora para aumentar a tensão sobre o cabo de aço do fio diamantado.

Após esta fase inicial, de movimentação do fio diamantado, seguem-se os movimentos de corte.

O fio diamantado é posicionado a uma determinada cota, tendo por base as dimensões do bloco a

cortar. Seguidamente, o movimento de avanço pode decorrer em duas direções, a vertical ou

horizontal. A máquina de corte de fio diamantado CNC, mais frequente no parque de máquinas no

setor industrial do desmonte de blocos rochosos, conjuga as duas direções de avanço. Todavia

alguns construtores de equipamentos já desenvolveram máquinas de corte de pedra por fio

Figura 5 - Máquina de corte monofio (Fonte: http://www.ajfigueiredo.pt/ajf/wp-

content/uploads/2013/05/AJF_Produtos_Monofio_01.jpg, acedido a 15/10/2014)

Figura 6 - Máquina de corte estacionária controlada por computador (Fonte:

http://www.ajfigueiredo.pt/ajf/wp-content/uploads/2013/05/AJF_Produtos_Monofio_Texto_01.jpg,

acedido a 15/10/2014)


Monteiro, Carlos 9

diamantado com 3 e 4 eixos coordenados3. Relativamente ao comando dos vários tipos de

equipamento já referidos, estes, numa fase prematura, eram comandados com velocidades de

rotação e avanço contantes, assim como, a tensão exercida pela polia tratora também era constante

durante o todo o processo de corte. No entanto, tal como sucedeu nas máquinas utilizadas na

exploração de pedra, os fabricantes desenvolveram melhorias nestes equipamentos com o objetivo

de melhorarem o processo produtivo e a longevidade da ferramenta de corte. Atualmente são

produzidos equipamentos em que a tensão do cabo de aço do fio diamantado é medida e

monitorizada pela variação de outros parâmetros de corte45.

O fenómeno abrasivo no qual resulta o corte da pedra, deste tipo de equipamentos de corte, é

semelhante ao descrito nas máquinas de corte para exploração de pedra.

3.3 Funções preparatórias

As funções preparatórias representam todas as tarefas que são realizadas antes do processo de

corte.

3.3.1 Torção do fio diamantado

O fio diamantado é sujeito a uma torção (Figura 7), antes de ser inserido no sistema de polias da

máquina de corte. A torção, aplicada ao fio diamantado, irá animar o mesmo de um movimento

helicoidal sobre o seu próprio eixo durante o processo e corte. Consequentemente irá incitar um

desgaste uniforme na superfície de revolução das pérolas diamantadas.

A torção aplicada, à ferramenta, de corte depende do próprio fabricante, no entanto o seu valor

varia entre 1,5 a 2 voltas por metro a cada 200 horas de funcionamento [3].

A ferramenta de corte é sujeita a observações periódicas, quando esta não desenvolve o movimento

desejado, o processo de corte pára, o fio diamantado é removido da máquina de corte e aplica-se

uma nova torção ao mesmo, por fim este é inserido novamente no sistema de polias da máquina.

Figura 7 - Ilustração da torção ocorrida no fio diamantado

(Fonte: http://img10.imageshack.us/img10/782/67620167qt0.jpg, acedido a 11/11/2014)

3 http://www.breton.it/marble/pt/product/Monowire_Shaping_machines/POKER_4AXES_-_Shaping_machine,

acedido a 22/11/2014; 4 http://www.poeiras.com/#!demetrius/cew1, acedido a 20/10/2014; 5 http://www.ajfigueiredo.pt/portfolio/monofio/, acedido a 20/10/2014;

http://cffmonteiro.wix.com/fio-diamantado#!cpia-de-10-concluso/ck6m

http://www.breton.it/marble/pt/product/Monowire_Shaping_machines/POKER_4AXES_-_Shaping_machine

http://www.poeiras.com/#!demetrius/cew1


Monteiro, Carlos 10

3.3.2 Execução de emendas do fio diamantado

A operação de emenda no fio diamantado (Figura 8) consiste na ligação das duas extremidades do

cabo de aço, antes do início da operação de corte, através da aplicação de um tubo metálico para

que o circuito fique fechado [3].

Na realização de uma emenda, é retirado o material protetor do cabo de aço das duas extremidades

e estas são engatadas no tubo metálico, sendo este prensado posteriormente.

3.3.3 Realização de furos no maciço rochoso

Na operação de corte com fio diamantado na lavra de pedra é necessária a realização de furos

complanares, que irão delimitar o volume a extrair do maciço rochoso [3].

Os furos são realizados com auxílio de uma perfuratriz (Figura 9) nas direções pretendidas, com

diâmetros na ordem dos 100 mm. Desta forma a ferramenta de corte envolve a superfície de corte

pretendida.

Figura 8 - Ilustração da execução de emendas (Fonte: [6])

Figura 9 - Ilustração da execução de furos no maciço rochoso

(Fonte: http://s7d2.scene7.com/is/image/Caterpillar/C749232?$Type2$?$cc-g$, acedido a 19/10/2014)


Monteiro, Carlos 11

3.4 Versatilidade de Orientação do fio diamantado

A técnica de corte por fio diamantado é caracterizada pela versatilidade de tipos de corte, uma vez

que é possível a modificação da posição do sistema de polias, que têm a função de orientar o fio

diamantado na operação de corte. Desta forma o corte por fio diamantado pode ser utilizado em

todas as operações de corte, nas explorações de pedra.

Os tipos de corte mais usuais são: o corte vertical normal (Figura 10), o corte vertical em “L”

(Figura 11), o corte horizontal normal (Figura 12), o corte horizontal em “L” (Figura 13) e o corte

cego (Figura 14) [3].

Os tipos de corte mais simples e frequentemente empregues são, o corte vertical normal e o corte

horizontal normal. Os restantes tipos de corte são postos em prática em situações em que o espaço

na exploração de pedra é limitado, quando existem irregularidades do terreno ou devido a outros

factos limitativos que impossibilitem a aplicação dos tipos de corte mais simples. Assim, perante

a versatilidade de orientação do fio diamantado, pelo sistema de polias, é possível o

desenvolvimento de um sistema de polias, mais complexo, para as máquinas de corte de pedra

utilizadas para o desmonte de blocos rochosos, com o objetivo de tornar mais rentável a tecnologia

de corte de pedra por fio diamantado.

Figura 10 - Corte vertical normal (Fonte: [3])

Figura 11 - Corte vertical em "L" (Fonte: [3])


Monteiro, Carlos 12

Figura 12 - Corte horizontal normal (Fonte: [3])

Figura 13 - Corte horizontal em "L" (Fonte: [3])

Figura 14 - Corte cego (Fonte: [3])


Monteiro, Carlos 13

3.5 Fio diamantado

O fio diamantado é constituído por um cabo de aço inoxidável, em que são inseridas pérolas

diamantadas regularmente espaçadas [3][7]. Este fio constitui a ferramenta de corte, cuja

configuração é definida tendo em atenção principalmente o tipo de rocha a cortar e a própria

operação de corte a realizar.

3.5.1 Cabo de aço

Os cabos de aço são constituídos por três componentes estruturais básicos: o núcleo, os filamentos

e o arame (Figura 15). Por norma, os arames são enrolados helicoidalmente em torno do arame

que se situa no centro do filamento (núcleo do filamento) formando assim o próprio filamento. De

seguida os filamentos são enrolados helicoidalmente em torno do núcleo, concebendo o cabo de

aço.

Figura 15 - Composição do cabo de aço

(Fonte: http://communities.ptc.com/servlet/JiveServlet/showImage/2-241982-72264/wire+rope.jpg,

acedido a 16/11/2014)

Atualmente são produzidos cabos de aço com diversas configurações relativas aos filamentos,

mais concretamente à quantidade, disposição e tipo de enrolamento destes em torno do núcleo.

Existe também uma grande diversidade de materiais usados nos componentes que constituem o

cabo de aço [9].

Contudo, em toda a bibliografia estudada, não foi encontrada qualquer informação específica

referente aos cabos de aço utilizados no fabrico de fio diamantado. Tendo em consideração a

importância dos cabos de aço no processo de corte, devido a tensão a que são sujeitos e à influência

desta sobre o corte, é uma das áreas onde, porventura, existe uma maior margem para

desenvolvimento tecnológico.


Monteiro, Carlos 14

3.5.2 Revestimentos do fio diamantado

As pérolas diamantadas são mantidas em posição por separadores adequados, sendo atualmente

utilizadas três configurações possíveis: molas metálicas (Figura 16), revestimento de material

plástico (Figura 17) ou de borracha (Figura 18). Estes sistemas de separação das pérolas

diamantadas constituem também um revestimento de proteção do cabo.

As pérolas constituem o elemento cortante, cabendo ao cabo transmitir o esforço de tração

responsável pelo deslocamento das pérolas sobre a pedra, e assim, realizar o corte por abrasão. Os

elementos separadores permitem acomodar pequenas diferenças de deslocamento das pérolas

durante o corte, mas também funcionam como proteção do cabo contra a abrasão provocada pelas

partículas originadas no corte (resultantes do desgaste da pedra e das próprias pérolas).

3.5.3 Pérolas diamantadas

As pérolas diamantadas são constituídas por um suporte anelar em aço, revestido por pasta

diamantada. Esta pasta pode ser depositada sobre o suporte anelar através dos processos de

eletrólise ou sinterização. As pérolas diamantadas sinterizadas (Figura 19) têm uma maior

circulação comercial devido à sua maior durabilidade e aplicabilidade ao corte de diferentes tipos

de rocha, o que conduz a um custo operacional inferior comparativamente às perolas diamantadas

eletrolíticas [6].

Figura 16 - Fio Diamantado revestido com molas metálicas (Fonte: [6])

Figura 17 - Fio Diamantado com revestimento em plástico (Fonte: [6])

Figura 18 - Fio diamantado com revestimento em borracha (Fonte: [6])

Figura 19 - Pérolas Sinterizadas (Fonte: [6])


Monteiro, Carlos 15

As pérolas diamantadas eletrolíticas (Figura 20) são processadas por deposição galvânica, em que

se utiliza como eletrólito uma mistura de sais de níquel6. O suporte anelar em aço é assim revestido

por uma pasta metálica que contém grãos de diamante embutidos, salientes sobre a sua superfície

[11].

Atualmente, a maioria das ferramentas diamantadas é produzida pelo processo de sinterização. A

sinterização por compactação a quente é o processo mais comum utilizado no fabrico de pérolas

diamantadas [12][13]. Neste processo as partículas de diamante são ligadas à matriz metálica por

combinação de interações químicas e físicas. A concentração de partículas de diamante e o tipo de

ligante a ser usado na matriz metálica dependem, fundamentalmente, da natureza e abrasividade

da rocha a ser cortada e da produtividade de corte pretendida [11][14]. A concentração de

partículas de diamante varia entre as 0,26 e as 0,44 gramas de diamante por cm3 de volume do

abrasivo [12]. Os ligantes mais comuns, presentes nas matrizes metálicas, são o tungsténio,

empregue em operações de corte em que o material a cortar tenha uma dureza extremamente

elevada, e o cobalto, destinado ao corte de materiais com durezas elevadas. São também empregues

ligas de cobalto-ferro, ferro-cobalto e ferro-bronze na matriz metálica, com ligantes, para o corte

de materiais macios [13]. A principal função dos ligantes é reter as partículas de diamante na

matriz metálica, evitando a sua perda prematura e assim controlar o desgaste da matriz metálica.

As pérolas diamantadas sinterizadas assumem, na atualidade, o domínio da aplicação em todo o

tipo de operações de corte de pedra por fio diamantado. Contudo, vem sendo evidenciada a

necessidade de estudar a introdução de diferentes elementos de liga como alternativa ao cobalto,

uma vez que a toxicidade deste elemento afeta o seu processamento e também por este apresentar

grandes variações de preço de mercado [14][15][16][17]. Também tem sido colocado a hipótese

de desenvolver novas configurações das pérolas diamantadas ou mesmo do conjunto que constitui

a ferramenta de corte [10][13][18].

3.6 Problemas associados ao processo de corte de pedra com fio diamantado

Os problemas existentes no processo de corte de pedra com fio diamantado são, na maioria das

situações, refletidos na ferramenta de corte. O controlo dos parâmetros de corte que estão

associados ao processo são o fator de maior relevância para a minimização de problemas. As

anomalias mais frequentes, associadas ao processo de corte, são: a variação do ângulo de ataque,

o efeito da ovalização, o efeito cometa, a diminuição do espaçamento entre as pérolas diamantadas

e a rutura do fio diamantado na zona de execução de emendas. Na maior parte das situações, a

aparência da ferramenta de corte é o reflexo do tipo de defeito ocorrido na operação de corte. Desta

forma é de extrema importância a implementação de observações periódicas ao fio diamantado ao

longo do processo de corte.

6 http://www.breu-diatools.com/br/production-process.html, acedido a 23/10/2014;

Figura 20 - Pérolas eletrolíticas (Fonte: [6])

http://www.breu-diatools.com/br/production-process.html


Monteiro, Carlos 16

A variação do ângulo de ataque (Figura 21) tem uma enorme influência no desgaste das pérolas

diamantadas [3]. Quanto maior for o ângulo de ataque, entre o fio diamantado e a superfície de

corte, maior será a superfície de contacto das pérolas diamantadas interessadas no corte, e

consequentemente, é originada uma maior tensão no fio diamantado, o que provoca uma elevado

desgaste das pérolas diamantadas [3].

Figura 21 - Ilustração do ângulo de ataque do fio diamantado com a superfície de corte nos diferentes tipos de

equipamentos de corte

A ovalização (Figura 22) é uma deformação que ocorre nas pérolas diamantadas resultantes de um

desgaste diferencial [3]. Em condições operacionais ideais, o desgaste da superfície de revolução

das pérolas diamantadas ocorre de forma uniforme. O fenómeno descrito ocorre quando

determinada zona da pérola diamantada é mantida, por um período de tempo elevado, em contacto

com a superfície de corte. Este fenómeno resulta de uma operação, relativa à torção do cabo de

aço do fio diamantado, deficientemente executada por parte do operador.

As emendas (Figura 23) são consideradas zonas críticas de possível rutura na ferramenta de corte

e normalmente, as pérolas adjacentes à zona da ementa apresentam um desgaste diferencial [3].

Assim, a zona da emenda no fio diamantado deve ser alvo de observações periódicas.

Figura 22 - Ilustração do desgaste diferencial da pérola diamantada (Fonte: [19])


Monteiro, Carlos 17

O efeito cometa (Figura 24) é um fenómeno provocado pela velocidade de translação ou da

velocidade de avanço do fio diamantado inferior ao ideal [3][19]. Este fenómeno provoca um

aumento do contacto das pérolas diamantadas com a superfície de corte, que implica uma maior

vibração na ferramenta de corte e origina uma quebra acentuada dos diamantes. Esta quebra resulta

num rasto característico ao longo da pérola diamantada.

A diminuição do espaçamento entre as pérolas diamantadas (Figura 25) é um defeito que ocorre,

principalmente, nos fios diamantados com o revestimento em plástico [3][19]. Quando ocorre o

entalamento de uma pérola diamantada, durante o corte, verifica-se a acumulação do revestimento

junto a esta e consequentemente ocorre uma diminuição do espaçamento entre as mesmas. O

aquecimento gerado, na situação descrita, torna o revestimento plástico compressível.

Os danos no revestimento do fio diamantado são causados, principalmente, pelo fraco fluxo de

água utilizado no processo de corte [19].

Devido a uma velocidade linear demasiado reduzida do fio diamantado, as pérolas diamantadas

adquirem uma forma geométrica cónica (Figura 26) [19].

Figura 23 - Ilustração da execução de emendas (Fonte: [6])

Figura 24 - Ilustração do efeito cometa na pérola diamantada (Fonte: [3])

Figura 25 - Ilustração do revestimento do fio diamantado compactado (Fonte: [3])


Monteiro, Carlos 18

Figura 26 - Ilustração da conicidade das pérolas diamantadas (Fonte: [19])

A faturação das pérolas diamantadas, fenómeno ilustrado na Figura 27, resulta do excesso de

pressão sobre as pérolas diamantadas [19].

Figura 27 - Ilustração da fragmentação das pérolas diamantadas (Fonte: [19])

E notório que os diversos equipamentos utilizados no processo de corte têm uma elevada margem

de evolução, onde o principal objetivo passa por eliminar ou reduzir os problemas associados ao

processo de corte.


Monteiro, Carlos 19

4 ESTUDO DO CORTE DE PEDRA POR FIO DIAMANTADO

O estudo do corte, realizado neste capítulo, é relativo a uma máquina de corte convencional para

o desmonte de blocos rochosos. Este estudo baseia-se nos sistemas de transmissão mecânica

flexíveis, com principal enfoque nas correntes planas, uma vez que foram verificadas algumas

semelhanças relativas à gama de velocidades lineares e ao funcionamento de ambos os sistemas

[20].

A transferência de potência transmitida ao fio diamantado, pela rotação da polia motora, provoca

o movimento deste através do sistema de polias. O fio diamantado possui um movimento

helicoidal durante a operação de corte, devido à torção aplicada ao cabo de aço, com base nas

instruções do fabricante. A transmissão do movimento é assegurada pelas forças de atrito que se

desenvolvem entre a ferramenta de corte e a polia motora [20]. Neste sentido, o fio diamantado

deve ser sujeito a uma determinada pré-tensão cuja grandeza depende: da potência a transmitir, da

velocidade linear e do ângulo de contato com a polia motora [20]. Posto isto, o pré-tensionamento

do fio diamantado é realizado pelo deslocamento de uma das polias do sistema. O sistema de polias

mais comum nas máquinas de corte estacionárias monofio é composto por duas polias, ou seja

uma polia motora e outra tratora (Figura 28).

A pré-tensão e a tensão exercida sobre o fio diamantado são parâmetros de corte de extrema

relevância no corte de pedra por fio diamantado, tendo por base toda a bibliografia consultada. Por

isso, foi identificada a importância da realização de um estudo sobre a variação da tensão exercida

no fio diamantado durante o corte ( Figura 29 e Gráfico 1). Assim, com base na lei da conservação

da energia, a potência fornecida ao sistema pela rotação da polia motora, é transmitida ao

fenómeno abrasivo entre as pérolas diamantadas e a superfície de corte, desprezando as forças de

atrito.

Figura 28 - Representação das forças atuantes sobre o fio diamantado


Monteiro, Carlos 20

A tensão máxima exercida no fio diamantado, durante o corte, ocorre entre as zonas 3 e 6,

esquematizado na Figura 29 e no Gráfico 1. Esta fração é relativa ao ramo tenso do fio diamantado

do sistema de polias. A tensão mínima exercida no fio diamantado surge no ramo bambo do

sistema de polias, mais especificamente entre as zonas 1 e 2. Todavia constata-se que a inversão

do sentido de rotação da polia motora, relativamente ao esquema apresentado na Figura 29,

provoca uma variação da tensão sobre a ferramenta de corte um pouco distinta comparativamente

ao estudo realizado anteriormente. A variação da tensão sobre o fio diamantado, tendo em

consideração o sentido de rotação ilustrado na Figura 30, é representada no Gráfico 2.

A Figura 30 e o Gráfico 2 demonstram que a tensão máxima exercida sobre o fio diamantado,

durante o corte, ocorre entre as zonas 2 e 1 do sistema de polias. Enquanto que, a tensão mínima

sobre o fio diamantado surge no ramo bambo do sistema de polias, mais concretamente entre as

zonas 6 e 3.

Figura 29 - Representação esquemática do corte de pedra por fio diamantado e divisão

deste em zonas específicas durante a operação de corte

Gráfico 1 - Representação Gráfica da variação da tensão exercida sobre o fio diamantado


Monteiro, Carlos 21

Assim, conclui-se que a tensão resultante sobre o fio diamantado, durante o processo de corte, é

definida como a conjugação da pré-tensão realizada pela movimentação da polia tratora, com a

variação da tensão oriunda da ação de corte. Também é expectável que para as mesmas condições

de corte, no sentido de rotação da polia motora representado na figura 29, seja evidenciado um

maior degaste sobre a polia tratora do que no sentido inverso de rotação da polia (figura 30). Este

fenómeno justifica-se pelo facto de o fio diamantado se encontrar à tensão máxima na zona da

polia tratora como representado na figura 29 e gráfico1.

Posteriormente, foi estudada e caraterizada a movimentação e as forças exercidas sobre as pérolas

diamantadas, durante a ação de corte.

Os movimentos envolvidos na operação de corte por fio diamantado são movimentos entre a peça

e a superfície de revolução, característicos das pérolas diamantadas (Figura 31) [21]. O movimento

de corte é definido pelo movimento realizado pela ferramenta de corte sobre a superfície rochosa,

que, sem a conjugação do movimento de avanço originaria somente a remoção da pequena camada

da superfície rochosa que se encontra em contato com as pérolas diamantadas. O movimento de

avanço é definido como o movimento da ferramenta ou do bloco rochoso, no sentido e direção de

corte. O movimento efetivo de corte é definido como o movimento resultante dos movimentos de

avanço e de corte, ocorridos em simultâneo. O movimento de rotação do fio diamantado resulta

da torção efetuada, que antecede a colocação deste no sistema de polias. Contudo, é importante

esclarecer que o impacto deste movimento é irrelevante para o movimento efetivo de corte. A

importância deste movimento é justificada pelo desgaste uniforme da superfície de revolução das

pérolas diamantadas ao longo do corte.

Figura 30 - Representação esquemática do corte de pedra por fio diamantado e divisão deste em zonas

específicas durante a operação de corte

Gráfico 2 - Representação Gráfica da variação da tensão exercida sobre o fio diamantado


Monteiro, Carlos 22

Figura 31 - Representação do movimento das pérolas diamantadas durante a operação de corte

O interesse do conhecimento dos esforços de corte sobre as pérolas diamantadas está diretamente

relacionado com a previsão dos fenómenos abrasivos que ocorrem na superfície de corte e também

com o critério para determinação da maquinabilidade das diversas rochas a cortar. Na Figura 32

são representadas as forças aplicadas sobre as pérolas diamantadas, tendo em consideração a

curvatura da superfície de corte gerada ao longo do processo de corte [22]. A curvatura do fio

diamantado é justificada pela flexibilidade característica dos cabos de aço.

A força Fa é projetada ao longo da direção de corte e a força Fp é a força perpendicular à direção

de corte [21][22]. A força Fa é responsável pela remoção da superfície rochosa em contato com a

pérola, através da abrasão, tendo em consideração o coeficiente de atrito (µ) [21][22]. A força Fp

é referente à força que a superfície de corte exerce sobre a pérola diamantada [21][22]. As forças

F1 e F1+ ΔF representam o diferencial de tensões exercidas sobre o cabo de aço da ferramenta de

corte, durante o corte. Em suma, são definidas duas equações com base no diagrama de forças

representado na figura 32 [21]:

∑𝐹𝑥 = 0 ↔ 𝑇1 cos 𝛼 + 𝑇2 cos𝛽 + 𝐹𝑎 = 0 (1)

∑𝐹𝑦 = 0 ↔ 𝑇1 sin 𝛼 + 𝑇2 cos 𝛽 + 𝐹𝑝 = 0 (2)

Legenda:

(1) Movimento de corte

(2) Movimento de avanço

(3) Movimento efetivo de corte

(4) Rotação da ferramenta de

corte

Figura 32 - Forças aplicadas sobre a pérola diamantada durante o processo de corte


Monteiro, Carlos 23

Sandro Turchetta et al (2014) demonstra teoricamente, pela dedução das equações 1 e 2, duas

considerações relativas à pressão exercida sobre as pérolas diamantadas. A força exercida sobre

as pérolas do fio diamantado interessadas no corte é crescente desde a entrada até à saída da rocha

a cortar. Admitindo um valor máximo admissível relativo à tensão exercida sobre o fio

diamantado, controlado pelo controlador do equipamento de corte, a pressão exercida pelas pérolas

diamantadas sobre a superfície de corte aumenta quando a curvatura do fio diamantado aumenta.


Monteiro, Carlos 25

5 PARAMETRIZAÇÃO DO CORTE DE PEDRA POR FIO DIAMANTADO

O desgaste das pérolas diamantadas sinterizadas não é linear. O mecanismo de desgaste deste tipo

de pérolas consiste no desbaste gradual da matriz metálica, que suporta os diamantes, para que

estes aflorem e se tornem afiados. À medida que os grãos de diamante são desgastados, novos

grãos afloram, devido ao desbaste da matriz metálica, estabelecendo-se assim um ciclo [23].

A tecnologia de corte por fio diamantado é, na atualidade, a tecnologia de corte de pedra mais

difundida no mundo [23]. O custo do fio diamantado representa 40% a 50% do total da operação

de corte, sendo o desgaste das pérolas diamantadas o principal fator económico a considerar na

operação de corte. Assim, é de extrema importância conciliar uma elevada produtividade com uma

satisfatória vida útil da ferramenta de corte. Contudo, é indispensável conhecer a influência dos

parâmetros de corte intrínsecos desta tecnologia de corte [23][24].

A operação de corte de pedra por fio diamantado é afetada por parâmetros controlados e não

controlados, que podem ser sistematizados como se apresenta na Tabela 3. Os parâmetros de corte

controlados referem-se à parametrização da técnica de corte e a aspetos operacionais, ao passo

que, os parâmetros de corte não controlados referem-se às propriedades das rochas a cortar

[23][25]. Os parâmetros controlados são definidos na máquina de corte, principalmente, em função

das propriedades da rocha a cortar [26].

Tabela 3 - Parâmetros de corte de pedra por fio diamantado (Fonte: [23])

Parâmetros não controlados

relacionados com as

propriedades das rochas

Parâmetros controlados ou parcialmente controlados

Dureza;

Abrasividade;

Tensões;

Descontinuidades;

Grau de alteração;

Propriedades mineralógicas;

Características texturais.

Propriedades do equipamento e

ferramenta de corte Operabilidade

Potência da máquina;

Velocidade periférica;

Tensão exercida no fio

diamantado;

Pré-tensionamento;

Caudal e pressão da água;

Raio de curvatura do fio

diamantado em contacto com a

superfície de corte;

Configuração do fio

diamantado.

Qualificação do operador;

Direção de corte;

Ângulos de ataque do fio

diamantado com o bloco

rochoso.

Segundo Douglas Marcon et al. (2012), a posição de corte é um dos parâmetros operacionais que

mais afeta a produtividade de corte. De acordo com o autor é notória uma menor produtividade

nos cortes horizontais (Figura 12) relativamente aos cortes verticais (Figura 10). Este facto é

justificado pela acumulação excessiva de lamas, resultantes da operação de corte, na superfície de

corte. Isto origina um esforço superior do motor principal da máquina de corte, para a conservação

da velocidade periférica da ferramenta de corte. O fenómeno descrito não é tão importante nos

cortes verticais, pois, devido à força da gravidade, as lamas não se acumulam na superfície de

corte. A acumulação excessiva de água na superfície de corte contribui também para a diminuição

da produtividade de corte, uma vez que provoca o efeito de aquaplanagem [23]. Este estudo carece

de uma adequada caracterização quantitativa relativamente a vários parâmetros de corte, de modo

a estabelecer claramente a sua influência relativa, na operação de corte de pedra, e permitir a

realização de trabalhos de verificação que confirmem ou infirmem os resultados apresentados.


Monteiro, Carlos 26

Erlon Cavazzana (2005) concluiu no seu estudo que, quanto maior a superfície de contacto das

pérolas diamantadas com a superfície rochosa, maior será a produtividade de corte (Figura 10,

Figura 12 e Figura 33) [26]. Contudo, existe um equilíbrio entre o comprimento máximo

interessado no corte (em contacto com a superfície rochosa) e a potência máxima útil do

equipamento de corte, pois um excesso de tensão exercida na ferramenta de corte pode originar a

sua rotura. O fenómeno descrito é recorrente nos equipamentos de corte monofio, utilizado nas

pedreiras, em que o comprimento do contacto da ferramenta de corte com a superfície rochosa

varia durante a operação de corte.

Os resultados do estudo efetuado por Dr. S. C. Jain et al. (2013), demostram que, do aumento da

velocidade periférica e da tensão do fio diamantado resulta um aumento do desgaste das pérolas

diamantadas (Gráfico 3, Gráfico 4 e Gráfico 5) (Tabela B, Tabela C e Tabela D do Anexo I).

Figura 33 - Representação do movimento do equipamento de corte em relação ao maciço rochoso (Fonte: [27])

Gráfico 3 - Influência da velocidade periférica e da tração sobre o fio diamantado no desgaste das pérolas

diamantadas no corte de mármores (Fonte: [25])


Monteiro, Carlos 27

Relativamente à produtividade de corte, não existe uma demonstrada relação direta provocada pela

variação da velocidade periférica e da tensão do fio diamantado parametrizados na operação de

corte (Gráfico 6, Gráfico 7 e Gráfico 8) (Tabela B, Tabela C e Tabela D do Anexo I). No entanto,

é verificado que o aumento da tensão exercida sobre o fio diamantado origina um aumento da

produtividade de corte.

O desgaste provocado nas pérolas diamantadas é diretamente proporcional à dureza das rochas a

cortar. Já a produtividade de corte é inversamente proporcional à dureza das rochas a cortar [25].

Porém nesse estudo teórico-experimental verifica-se a deficiência da caracterização de diversos

parâmetros de corte importantes, como as propriedades dos mármores a cortar, incluindo a

granulometria, e o valor da dureza, ou as características texturais, estabelecidas qualitativamente

sem indicação de valores de referência quantitativos que possam servir de base para estudos

comparativos. Também não são indicados os parâmetros controláveis, como a configuração da






Monteiro, Carlos 28

ferramenta de corte, o(s) valore(s) da pré-tensão exercida no fio diamantado, a potência e o sistema

de controlo da tensão sobre o fio diamantado da máquina de corte, valores alcançados relativos à

velocidade de avanço, os ângulos de ataque da ferramenta de corte ao bloco rochoso e ainda os

valores da pressão ou caudal da água usados no corte.

Gráfico 6 - Influência da velocidade periférica e da tração sobre fio o fio diamantado na produtividade da

operação de corte de mármores (Fonte: [25])

Gráfico 7 -Influência da velocidade periférica e da tração sobre fio o diamantado na produtividade da



Monteiro, Carlos 29

O estudo teórico realizado por Sandro Turchetta et al (2014) demonstra que durante a operação de

corte de pedra, o fio diamantado sofre sempre uma curvatura [22]. O valor do raio da curvatura do

fio diamantado é influenciado, principalmente, pela força de tensionamento exercida sobre a

ferramenta de corte [22]. O estudo realizado por Sandro Turchetta et al. (2014) é complementado

por uma componente experimental. O autor construiu um protótipo, cuja velocidade de avanço de

corte é controlada segundo o valor máximo da tensão admissível sobre o fio diamantado inserido

no controlador. A velocidade linear do fio diamantado é mantida constante durante todo o processo

de corte. Neste sentido, Sandro Turchetta et al. (2014) desenvolveu um sistema de medição do

valor da tensão exercida sobre o fio diamantado durante a operação de corte.

O sistema de medição da tensão exercida sobre a ferramenta de corte baseia-se num medidor de

potência de um atuador hidráulico. O atuador hidráulico é responsável, numa primeira fase, por

movimentar a polia tratora até esta provocar uma determinada pré-tensão sobre o fio diamantado.

Essa pré-tensão tem de ser suficiente para que o fio diamantado se movimente no sistema de polias.

Numa segunda fase, durante a operação de corte, o atuador hidráulico será sujeito a uma maior

potência, para que a polia tratora se mantenha na mesma posição, uma vez que se verifica um

aumento da tensão sobre o fio diamantado provocado pela operação de corte. Posteriormente, o

autor estudou qual impacto da pré-tensão exercida pelo atuador hidráulico sobre o fio diamantado.

Durante os diversos testes foram seguidos todos os parâmetros e configurações recomendadas pelo

fabricante relativos à ferramenta de corte. Concluiu-se que o raio de curvatura do fio diamantado

diminui com o aumento da tensão exercida sobre este, durante o corte [22]. O fio diamantado

assume sempre o mesmo raio de curvatura, durante o corte, para o mesmo valor de pressão

exercida pelo atuador hidráulico [22]. Por fim, concluiu-se também que a produtividade de corte

aumenta com a diminuição da pressão exercida do atuador hidráulico sobre a ferramenta de corte

[22]. É importante realçar que também foi verificado que uma pressão, aplicada pelo atuador

hidráulico, abaixo dos 128 MPa origina uma oscilação abrupta do fio diamantado, que provoca o

descarrilamento deste sobre o sistema de polia.

Posto isto, o autor assumiu o valor de 128 MPa como o valor de pressão mínima e de maior

produtividade, demonstrado pelo protótipo. Com base neste valor de pressão exercida pelo atuador

hidráulico otimizado, o autor realizou o corte de vários tipos de pedra com diferentes classes de

dureza com o protótipo construído. Seguidamente, efetuou o corte dos mesmos tipos de pedra com

uma máquina estacionária de corte de pedra por fio diamantado já comercializada e comparou os

resultados.

Gráfico 8 - Influência da velocidade periférica e da tração sobre fio o diamantado na produtividade da



Monteiro, Carlos 30

Sandro Turchetta et al. (2014) concluí que, o protótipo alcança o dobro da produtividade de corte,

independentemente do tipo de pedra a cortar, comparativamente com a máquina já comercializada

e que foi utilizada no teste [22]. A ferramenta de corte evidência um desgaste uniforme das pérolas

conjugado um boa qualidade da superfície de corte gerada (desvio geométrico de 0.5mm). Os

vários fios diamantados usados nos dois equipamentos de corte em estudo têm, sensivelmente, o

mesmo período de vida útil (13,6 𝑚2 de área cortada por cada metro da ferramenta de corte) [22].

Este resultado da longevidade é um pouco vago, uma vez que existe carência de informação

relativa às rochas cortadas. Mas, segundo os valores de longevidade do fio diamantado presentes

no catálogo da Diamant Boart (2008), este valor de longevidade é nitidamente baixo, tendo em

consideração que foram cortados diversos tipos de rochas com durezas compreendidas entre 1 e 5

[10].

A principal crítica ao trabalho teórico-experimental do autor Sandro Turchetta et al. (2014) é

relativa há omissão do(s) valor(es) de tensão máxima admissível sobre o fio diamantado inseridos

no controlo numérico do protótipo durante os testes realizados. Também não é referenciado como

é que o autor obteve esse(s) valor(es) relativos à tensão máxima admissível sobre o fio diamantado.

Neste estudo tal como no estudo do autor Dr. S. C. Jain et al. (2013) verifica-se a inexistência de

informações relativas às propriedades das pedras cortadas e de alguns parâmetros de corte

importantes, como:

O caudal de água usado no corte;

As velocidades de avanço obtidas durante os vários testes;

A influência da velocidade linear do fio diamantado;

O valor dos raios ou perfis de curvatura e consequentes ângulos de ataque do fio

diamantado durante o corte dos vários tipos de pedras.

Outro fator relevante, e esquecido por todos os autores, diz respeito ao desgaste evidenciado na

superfície das polias. Esse desgaste das polias está diretamente relacionado com a tensão exercida

sobre a ferramenta de corte e é, sem dúvida, um fator que poderá influenciar fortemente o valor

máximo de tensão suportada pelo cabo de aço do fio diamantado.


Monteiro, Carlos 31

6 PROSPEÇÃO INDUSTRIAL E ECONÓMICA DA TECNOLOGIA DE CORTE POR FIO DIAMANTADO

As rochas ornamentais constituem uma das áreas mais promissoras no sector mineral. O sector em

análise teve, nos últimos 20 anos, uma taxa média anual de crescimento da produção mundial

superior a 6% ao ano [1].

Esta evolução deve-se ao avanço tecnológico na área da extração de pedra e da transformação dos

blocos rochosos, e possibilitou a inclusão no mercado de tipos rochosos que nunca tinham sido

explorados e consequentemente nunca comercializados.

Atualmente as rochas ornamentais, devido à conjugação das suas qualidades estéticas e estruturais,

apresentam-se como um produto primordial em diversas áreas [2].

As aplicações das rochas ornamentais são consideradas quase que ilimitadas, embora possam ser

divididas em 4 grupos principais: a arquitetura/construção (grupo com maior relevância), o

revestimento de elementos urbanos, a arte e a decoração [2].

No sector industrial das rochas ornamentais, são gerados vários conjuntos de produtos, devido à

enorme diversidade de conjugação de aplicações. Estes produtos podem ser resumidos segundo:

blocos, chapas, placas para revestimentos, ladrilhos modulares, revestimentos e obras

dimensionais ou manufaturadas [2].

Atualmente, os países que se destacam como principais exploradores de rochas ornamentais e de

revestimento são a China, a África do Sul, a Turquia, a Índia, a Itália, o Brasil e a Espanha [1]. Em

alguns dos países referidos, principalmente a China, a Índia e em parte o Brasil, são evidenciados

défices de conhecimentos no corte de pedra e existe pouco desenvolvimento a nível tecnológico,

comparativamente com os países mais desenvolvidos no sector, nomeadamente a Itália e a

Espanha. Contudo, nos últimos anos, o Brasil, a Índia e a China têm-se vindo a desenvolver muito

nas diversas áreas relacionadas com as rochas ornamentais, com a aquisição de equipamentos e

tecnologia [1]. O investimento no sector é justificado pelo crescimento económico dos países em

análise, refletido pelo vigoroso crescimento da construção de habitações decorrentes do processo

de urbanização, e da filosofia e política de exportações.

A técnica de corte de pedra por fio diamantado é considerada por muitos como “uma invenção

fantástica”, devido às excelentes especificações de corte e pelas diversas operações de corte onde

esta é aplicada. Todos os equipamentos com a tecnologia de corte por fio diamantado têm sido

alvo de grande interesse e compra por parte das várias indústrias de exploração e transformação

de rochas ornamentais.

A indústria construtura de máquinas e equipamentos, associados ao corte de pedra, tem uma

importância extrema para todo o sector de rochas ornamentais, pois a evolução deste depende do

desenvolvimento tecnológico ocorrido nas máquinas e equipamentos produzidos [28]. As

indústrias em análise demonstram uma grande evolução devido aos requisitos e solicitações

pretendidas pelo mercado, não só ao nível tecnológico como ao nível organizacional produtivo e

administrativo [28]. Os equipamentos produzidos e as rochas ornamentais são bens transacionáveis

(Gráfico 9), o que os torna alvo de grande interesse a nível económico do país onde se encontra o

tipo de indústria em análise [28].


Monteiro, Carlos 32

Gráfico 9 - Evolução das exportações portuguesas dos produtos em pedra (Fonte: [23])

Em suma os eixos orientadores para os próximos anos deverão passar pelo [28]:

Desenvolvimento das técnicas e tecnologias para o setor industrial da pedra;

Estímulo das empresas na adoção e desenvolvimento de práticas e conceitos quer ao nível

organizacional da produção (ferramentas Lean) como a nível administrativo;

Incentivo à internacionalização e consolidação de todos os produtos, técnicas e tecnologias

relacionadas com o enorme e próspero setor da indústria das rochas ornamentais.


Monteiro, Carlos 33

7 PROJETO DO EQUIPAMENTO DE CORTE

7.1 Metodologia de projeto

O projeto de um produto é uma metodologia lógica que é iniciada com a identificação de uma

necessidade. Essa necessidade motiva a criação e desenvolvimento de um produto que satisfaça

um tipo de cliente alvo [29]. O projeto envolve um conjunto de atividades, realizadas por pessoas

de diferentes áreas de trabalho. A pesquisa e o desenvolvimento são duas atividades que estão

presentes em diversas fases do projeto do produto (Figura 34), principalmente nas áreas

responsáveis pela criação e refinamento de soluções [30].

O produto projetado pode ser totalmente inovador, nunca produzido ou pensado, ou então o

produto projetado pode satisfazer o mesmo tipo de necessidades que outros já comercializados, no

entanto apresenta características inovadoras ou diferentes, comparativamente aos demais.

O projeto abrange três grandes áreas: a abstrata, a estética e a funcional. O produto resultante do

presente projeto insere-se na área funcional, uma vez que são impostos, ao produto final, vários

requisitos e especificações técnicas [31].

Hoje em dia é aconselhável que o projetista siga uma metodologia de projeto, independentemente

do ramo industrial do mesmo. Existem diversos modelos que têm como base a formalização de

procedimentos típicos de projeto, melhorando a eficácia de todo o processo [32].

No projeto do equipamento do presente trabalho, foi utilizado um modelo prescritivo. Este tipo de

modelo baseia-se num procedimento sistemático e algorítmico, que garante que o problema a

solucionar está completamente compreendido (Figura 35) [31].

2º - Pesquisa e desenvolvimento

do produto


de Processos


de materiais

1º - Pesquisa de mercado

Figura 34 – Diagrama das fases do projeto do produto onde são realizadas pesquisas e desenvolvimentos

(Fonte: [30])


Monteiro, Carlos 34

O projeto de um produto é sempre iniciado com a identificação de uma necessidade ou de um

problema, esta identificação foi realizada pela empresa D2 Technology. Depois de a necessidade

estar claramente definida são estabelecidos os objetivos, requisitos e especificações para a

realização de um plano de trabalho. Posteriormente são definidas, com base na função principal,

todas as subfunções que integram o produto a projetar e são idealizadas possíveis soluções para

cada subfunção. Para desenvolver soluções verosímeis é necessário realizar uma pesquisa onde

seja possível adquirir conhecimento relativo a todo o meio ambiente e à tecnologia inerente ao

produto a projetar. Recorrendo a um método de avaliação é selecionada uma solução para cada

subfunção, tendo em conta todas as soluções idealizadas. Nesta fase é concluído o modelo

conceptual.

Na fase seguinte é realizado o dimensionamento e a seleção de materiais e componentes, com base

nas especificações e requisitos estabelecidos anteriormente. Nesta fase do projeto é comum

efetuarem-se algumas modificações relativamente ao modelo conceptual, no entanto os aspetos

funcionais do mesmo são sempre mantidos. Um aspeto de extrema relevância e por vezes ignorado

neste período do projeto passa pelo dimensionamento de componentes tendo em conta aspetos

Implementação

Realização dos desenhos para a produção Definição da estratégia de venda do produto

Teste do produto

Definição das áreas a testar do produtoLevantamento dos aspetos a melhorar ou erros

cometidos durante

Projeto do produto

Dimensionamento Seleção de componentes e materiais

Seleção de soluções

Seleção de soluções Avaliação do conjunto de soluções selecionadas

Preparação de soluções

Realização da estrutura de funções do produto Desenvolvimento de soluções

Desenvolvimento do plano de trabalho

Atribuição de objectivos Realização de especificações do produto

Identificação e definição do problema

Identificação do problema Determinar o âmbito do problema Análise de mercado

Figura 35 - Diagrama da metedologia de projeto mecânico adotada (Fonte: [31])


Monteiro, Carlos 35

relativos à manufatura dos mesmos. Estes fatores quando ignorados podem repercutir elevados

custos de produção, quando forem manufaturados os componentes dimensionados. Estes elevados

custos são por vezes conjugados com longos períodos de produção, ou em situações limite a

impossibilidade de fabrico dos componentes projetados.

Todas as seleções de materiais ou componentes, e os respetivos resultados, devem ser justificados

num dossier. O objetivo deste dossier é refletido no futuro, uma vez que se ocorrerem problemas

com o equipamento projetado, toda a informação encontra-se complicada e fica facilitado o

trabalho de resolução do problema corrido. O resultado final desta etapa do projeto será um

conjunto de desenhos técnicos, de todos os componentes a manufaturar, acompanhados por

especificações de produção do produto.

O modelo conceptual desenvolvido (protótipo) deverá ser testado, antes de ser apresentado como

produto final, e deve existir aprovação para o início de construção do mesmo. As áreas do

equipamento a testar devem ser muito bem definidas, antes dos testes serem realizados (por

exemplo: segurança, operabilidade do equipamento, performance, fiabilidade e impacto

ambiental). Desta forma não são menosprezadas áreas ou detalhes de relevo, ou não é desperdiçado

tempo com testes sem haver necessidade dos mesmos. Diversas vezes são verificadas algumas

anomalias durante os testes do protótipo e são identificadas situações que nunca foram pensadas

durante o projeto e que necessitam de um estudo adicional. Neste caso o projeto é retrocedido, e

realiza-se uma metodologia igual à efetuada até esta fase do projeto, tendo em consideração todos

os problemas ocorridos durante os testes do protótipo.

O teste do modelo conceptual projetado é uma etapa frequentemente colocada de parte, uma vez

que esta etapa envolve custos avultados. Por outro lado, se as anomalias no produto forem

verificadas quando este já se encontra em comercialização, os custos poderão ser extremamente

avultados, na maioria dos casos, para além da detioração da imagem da empresa.

Após a aprovação do protótipo são refinados alguns detalhes, principalmente relativos aos

desenhos técnicos e informações de produção das diversas peças a manufaturar, assim como são

ultimados todos os detalhes relativos à montagem do equipamento. No presente trabalho a fase de

teste e implementação do produto não serão considerados.

7.2 Definição da tarefa

A divisão de uma chapa, por uma com a espessura pretendida, é a única tarefa requerida ao

equipamento em desenvolvimento neste trabalho. Diversas empresas que realizam o

processamento de pedra, não têm capacidade para serrar os blocos rochosos e consequente

enobrecimento da superfície das chapas resultantes [33]. Todo o equipamento e instalações

requeridas para a produção massiva de chapa, têm associado um custo avultado. Por este motivo,

essas empresas compram chapas a terceiros mediante as suas necessidades. Contudo, devido a

fatores comerciais e financeiros este tipo de empresas necessitam de serrar as chapas que têm em

armazém, para obterem chapas com a espessura pretendida, para responderem às necessidades

momentâneas. O desenvolvimento deste equipamento é justificado pela incapacidade de qualquer

tipo de equipamento de corte com disco realizar a divisão de chapas, devido às dimensões das

mesmas. Os equipamentos de corte com disco são concebidos para o processamento de chapas, e

são um equipamento ubíquo no parque de máquinas dos clientes alvo.

7.3 Lista de requisitos

Os requisitos estabelecidos, pela empresa D2 Technology, para o projeto e construção do

equipamento foram:


Monteiro, Carlos 36

O intervalo de espessura de chapa serrada exigida está compreendido entre os 10 e os 350

mm;

Fácil e rápida colocação e recolha de chapas do equipamento;

Superfície de corte gerada com qualidade (desvio dimensional admissível de 0,5mm);

Desgaste das pérolas diamantadas controlado;

Fonte de energia elétrica;

Capacidade de cortar todos os tipos de pedra;

Reaproveitamento da água utilizada durante a operação de corte;

Segurança do equipamento.

Além destes requisitos, foram também consideradas outros, tendo em conta aquilo que é

ambicionado. Desta forma foi elaborada uma árvore de objetivos (Figura 36) que contém os vários

pontos que se pretendem alcançar com o desenvolvimento do equipamento.

Legenda:

7.3.1 Especificações técnicas das rochas

As especificações técnicas do produto a ser processado são de elevada importância para o projeto,

uma vez que estas determinam vários aspetos construtivos do equipamento. Sendo assim,

elaborou-se uma lista de especificações onde constam algumas das informações relevantes das

chapas rochosas:

Espessura da chapa: 20 a 350 mm;

Dimensões máximas da chapa a cortar: 4000 x 2000mm (Figura 37);

Equipamento aplicável industrialmente, eficaz e a um preço reduzido

Aplicabilidade industrial

Fácil operabilidade

Interface intuitivo

Rentabilidade

Eficácia de corte

Controlo dos parâmetros de

corte

Fiabilidade

Reduzido número de

componentes

Componentes adequados ao ambiente de

trabalho

Preço

Componentes normalizados

Custo reduzido das manutenções

Equipamento simplista

Segurança

Segurança dos operários

Segurança de operação

Produto a desenvolver

Objetivos

Sub-objetivos

Meios para atingir os objetivos

Figura 36 - Árvore de objetivos do projeto


Monteiro, Carlos 37

Massa máxima da chapa: 8000 kg7 8.

7.4 Análise/Estrutura de Funções

“A função geral de um produto é a relação entre as entradas e as saídas do mesmo. A função de

um produto pode ser posteriormente subdividida em subfunções que identificam ações com um

determinado propósito que o produto se destina a executar” [34]. Posto isto, foi efetuada uma

estrutura de funções (Figura 38) do equipamento a projetar, contemplando as várias subfunções

necessárias ao funcionamento do equipamento.

7 http://geology.about.com/cs/rock_types/a/aarockspecgrav.htm, acedido a 25/10/2014; 8 Tendo por base a densidade das rochas mais comercializadas, acedido a 26/10/2014.

Figura 37 – Dimensões máximas da chapa

Figura 38 – Estrutura de funções do produto

http://geology.about.com/cs/rock_types/a/aarockspecgrav.htm


Monteiro, Carlos 38

7.5 Soluções iniciais

Após a identificação das várias subfunções, são idealizadas as respetivas soluções. Ressalva-se

que todas as figuras são meramente exemplificativas, uma vez que não há necessidade de produzir

esquemas detalhados nesta fase.

7.5.1 Colocação da chapa

A operação de colocação de chapa a seccionar na área de trabalho pode ser efetuada de três formas:

por meio de uma garra, cabos de aço ou de um mecanismo composto por ventosas. As três formas

de transporte de chapa são sistemas periféricos à ponte rolante (Figura 39). Estes estão presentes

em qualquer empresa do ramo industrial para qual o equipamento projetado é dirigido.

A garra (Figura 40) é um mecanismo simples e totalmente mecânico, em que a força de aperto é

diretamente proporcional ao peso da chapa. Existem diferentes tipos de garras dependendo do peso

e da espessura das chapas a transportar, no entanto estas só podem transportar uma chapa de cada

vez.

Os cabos de aço (Figura 41) são a técnica de transporte de chapa mais comum nas indústrias que

realizam o desmonte de blocos rochosos e processamento de chapa, devido à sua versatilidade de

utilização. Esta técnica permite transportar uma ou várias chapas ou até blocos rochosos, desde

que o seu peso não exceda os limites de peso recomendados pelo fabricante. O custo reduzido de

manutenção dos cabos de aço e o longo período de operação são as principais vantagens quando

comparado com outros sistemas de transporte de chapas.

Figura 39 - Ponte rolante (Fonte: Http://www.poeiras.com/#!untitled/zoom/cs89/image9o6, acedido a

19/10/2014)

Figura 40 – Garra (Fonte: Http://cdn3.volusion.com/bgqmg.sfuxf/v/vspfiles/photos/8010215-,

acedido a 22/10/2014)

http://cdn3.volusion.com/bgqmg.sfuxf/v/vspfiles/photos/8010215-


Monteiro, Carlos 39

As ventosas (Figura 42), através de uma sistema complementar de vácuo, são capazes de

transportar chapas com uma massa considerável, que ronda os 2000 kg, e a superfície da chapa

transportada pode ser polida, semi-polida, cerrada ou grenalhada9.

O preço de compra e de manutenção deste tipo de equipamento é mais dispendioso

comparativamente com outros sistemas de transporte. As ventosas são um sistema de transporte

pouco versátil uma vez que suportam chapas com superfícies específicas, mas só podem

transportar uma chapa de cada vez.

7.5.2 Operações antecedentes ao processo de corte

Antes do processo de corte é realizado o tensionamento do fio diamantado e o posicionamento

deste, a uma determinada cota, com base na espessura da chapa a cortar e a espessura de chapa

pretendida.

7.5.2.1 Movimentação da polia tratora

A tensão realizada, sobre o cabo de aço da ferramenta de corte, é originada pela movimentação de

uma polia numa determinada direção. Desta forma aumenta-se a distância entre os eixos das polias,

incitando um incremento da força de atrito do fio diamantado com a superfície de contato da polia

motora, que resulta na inexistência de escorregamento entre ambos. A aplicação de um atuador

9 http://www.elephant.it/eleph_en/prod_ventose_marmo.asp, acedido a 02/11/2014;

Figura 41 - Cabo de aço (Fonte: http://www.mocamar.com.pt/pt/images/clip_image012.jpg,

acedido a 02/11/2014)

Figura 42 – Ventosas (Fonte: http://img.directindustry.com/images_di/photo-g/4-pads-vacuum-lifters-

stone-slabs-20876-2663483.jpg, acedido a 03/11/2014)

http://www.mocamar.com.pt/pt/images/clip_image012.jpg

http://img.directindustry.com/images_di/photo-g/4-pads-vacuum-lifters-stone-slabs-20876-2663483.jpg

http://img.directindustry.com/images_di/photo-g/4-pads-vacuum-lifters-stone-slabs-20876-2663483.jpg


Monteiro, Carlos 40

linear (Figura 43) é a solução pensada para desempenhar a função de movimentação da polia

tratora.

A polia tratora é fixada à mesa do atuador linear, esta movimenta-se sobre as guias pelo

acionamento de um motor acoplado ao fuso. Desta forma o deslocamento da polia tratora pode ser

controlado por um sensor instalado numa determinada posição, com base no comprimento de fio

diamantado. Por ventura se o equipamento possuir um sistema de medição da tensão do cabo de

aço da ferramenta de corte, o deslocamento da polia tratora pode ser controlado com base num

determinado valor de tensão que seja suficiente para que o fio diamantado se movimente

linearmente, sem ocorrência de escorregamento na polia tratora.

O principal motivo para a variação do eixo das polias é justificado pela simplificação da colocação

do fio diamantado sobre o sistema de polias.

7.5.2.2 Posicionamento do fio diamantado

Antes de ser iniciada a operação de corte da chapa, a ferramenta de corte é posicionada a uma

determinada cota da área de trabalho mediante a espessura de chapa pretendida. O fio diamantado

está envolto por uma carenagem assente sobre uma estrutura metálica, cuja principal função é a

proteção dos operários quando ocorre a rutura do cabo de aço (Figura 44). A função da estrutura

metálica é de suportar todos os equipamentos necessários para o correto funcionamento do sistema

de polias.

Legenda:

1 – Fio diamantado

2 – Carenagem da

estrutura envolvente do

fio diamantado

Figura 44 - Carenagem da estrutura envolvente do fio diamantado

Legenda:

1- Mesa

2- Guias

3- Fuso

Figura 43 - Atuador linear (Fonte: http://www.egroj.com.br/sistemas.jpg, acedido a 22/11/2014)


Monteiro, Carlos 41

A solução idealizada para o mecanismo de movimentação da estrutura metálica encontra-se

esquematizado na Figura 45.

Legenda:

1 – Corrente de elos

2 – Roda dentada

3 – Guia linear

4 – Fuso

5 – Coluna do pórtico

Figura 45 – Representação esquemática do mecanismo de movimentação da estrutura metálica

Em cada coluna do pórtico são fixadas duas guias lineares, um fuso e na parte superior deste é

acoplado uma roda dentada.

O movimento de rotação simultâneo dos fusos é realizado por uma transmissão de corrente de elos

que liga as duas rodas dentadas. Esta transmissão é acionada por meio de um motor elétrico

acoplado a um dos fusos. O movimento da estrutura metálica ocorre sobre as guias lineares, todavia

este é assegurado pela transmissão dos fusos com as porcas que estão fixas na estrutura metálica.

Desta forma é possível controlar o posicionamento do fio diamantado mediante a espessura de

chapa a cortar e a espessura de chapa pretendida.

O pórtico do equipamento projetado pode ser fixo ou móvel dependendo do tipo de movimentação

escolhido para o avanço durante operação de corte.

7.5.3 Processo de corte

A conjugação do movimento de avanço com o movimento de corte permite realizar o corte por

abrasão e/ou arranque de material rochoso da superfície de corte (Capítulo 4). Neste subcapítulo

são idealizados sistemas para o movimento de avanço e o movimento de corte.

7.5.3.1 Movimento de avanço

A primeira solução pensada para o movimento de avanço encontra-se esquematizada na Figura 46.

A chapa é colocada sobre um tapete de rolos no entanto o movimento de avanço é realizado pela

movimentação do tapete transportador. É importante realçar que a chapa é colocada sobre o tapete


Monteiro, Carlos 42

de rolos para facilitar a operação de transporte e de colocação da mesma na área de trabalho. Desta

forma a chapa é dirigida para o fio diamantado ocorrendo o corte da mesma.

Legenda:

1 – Tapete de rolos

2 – Tapete

transportador

3 – Chapa

4 – Carenagem da

estrutura envolvente

do fio diamantado

Figura 46 – Representação esquemática da operação de corte com movimentação da chapa

A solução descrita é um sistema simples, e os seus componentes são encontrados em diversas

empresas de comercialização de sistemas de transporte. No entanto, o custo de manutenção do

tapete de rolos e do tapete transportador é muito dispendioso, aliado ao fato de os componentes

demonstrarem alguma fragilidade, tendo em consideração o comportamento e operabilidade que

caracterizam os operadores alvos para o qual o equipamento é projetado.

Uma outra solução representada na Figura 47, passa pela supressão de algumas desvantagens

evidenciadas, numa primeira análise, relativas ao primeiro modelo apresentado. Assim, foram

substituídos o tapete de rolos e o tapete transportador por uma mesa, onde a chapa será colocada e

movimentada sobre guias e acionada por uma transmissão mecânica pinhão e cremalheira.

Legenda:

1 – Guia linear

2 – Cremalheira

3 – Mesa

4 – Chapa

5 – Carenagem da


do fio diamantado

Figura 47 - Representação esquemática da operação de corte com movimentação da Mesa

Na solução descrita é expetável o desgaste prematuro ou até deformação da mesa, provocado pelo

uso descuidado, característico da maioria dos operadores que trabalham neste setor industrial. A

área envolvente das guias e das cremalheiras carece de alguns cuidados relativamente aos resíduos

resultantes da operação de corte.


Monteiro, Carlos 43

A última solução pensada encontra-se ilustrada na Figura 48. Nesta solução a movimentação de

avanço é realizada pelo movimento da estrutura envolvente do fio diamantado em direção à chapa,

que se situa na área de trabalho, realizando o corte.

Legenda:

1 – Guia linear

2 – Cremalheira

3 – Área de trabalho

4 - Chapa

5 – Carenagem da


do fio diamantado

Figura 48 - Representação esquemática da operação de corte com movimentação da estrutura envolvente do fio

diamantado

O movimento da estrutura é feito por meio de guias lineares e de uma transmissão mecânica pinhão

e cremalheira. A opção descrita é bastante simples, a área de trabalho em betão demonstra elevada

resistência conjugado com um custos construtivos e de manutenção reduzidos. Nesta solução,

assim como na anterior, a área envolvente da transmissão mecânica e do guiamento carece de

cuidados, pelos motivos justificados anteriormente.

7.5.3.2 Sistema de polias e controlo dos parâmetros de corte

A disposição e a direção do fio diamantado, pelo sistema de polias, em conjunto com a forma

como são controlados os parâmetros de corte, durante o processo de corte, têm extrema relevância

relativamente à produtividade de corte e à longevidade das pérolas diamantadas. Com base na

bibliografia consultada ao longo deste trabalho, mais especificamente os capítulos relativos ao

estudo e parametrização de corte de pedra por fio diamantado (capítulo 4 e 5), foram consideradas

duas soluções para o equipamento a projetar.

A primeira solução idealizada, e a mais comum nos diversos equipamentos de desmonte de blocos

rochosos por fio diamantado, é composta por duas polias (Figura 49).

Legenda:

1 – Polia motora

2 – Polia tratora

3– Fio diamantado

Figura 49 - Representação esquemática do sistema de polias


Monteiro, Carlos 44

A polia motora encontra-se diretamente ligada ao veio do motor elétrico, que realiza o movimento

linear da ferramenta de corte através do sistema de polias. O sentido de rotação da polia motora,

representado na figura 49, é justificado, pela maior duração expectável da polia tratora durante o

processo de corte (Capítulo 4).

A polia tratora é acoplada a um atuador elétrico que quando é ativado, provoca uma determinada

pré-tensão sobre o fio diamantado. O valor da pré-tensão exercida sobre o fio diamantado deve ser

o mínimo necessário para que o fio diamantado seja movido linearmente, sobre o sistema de polias,

sem escorregamento.

Relativamente ao controlo dos parâmetros de corte, foi idealizado que o operador introduza, no

controlador do equipamento, os valores da velocidade de avanço, da velocidade linear do fio

diamantado e da tensão exercida pela polia tratora, sobre o cabo de aço do fio diamantado, com

base no material e nas dimensões da chapa a serrar. Durante o processo de corte estes parâmetros

são mantidos constantes. A solução apresentada não é a mais evoluída tecnologicamente e,

consequentemente, a produtividade de corte e a longevidade do fio diamantado estão um pouco

distantes dos valores alcançados por equipamentos em que são controlados os parâmetros de corte

durante o processo de corte. No entanto, tendo em consideração o propósito do equipamento a

projetar, a solução é considerada plausível, pois a cadência produtiva pretendida para o

equipamento não é intensiva. A solução apresentada demonstra simplicidade de operação e

manuseamento, aliada a um custo reduzido.

A segunda solução idealizada tem por base a mesma disposição de polias, sentido de rotação da

polia motora e o mesmo sistema de pré-tensionamento do fio diamantado apresentado na solução

anterior. No entanto, após a verificação deficiente do controlo dos parâmetros de corte, durante o

processo de corte, foi idealizada a adição de um sistema de medição da tensão do fio diamantado

no sistema de polias analisado anteriormente (Figura 50).

Legenda:

1 – Polia motora

2 – Polia tratora

3 – Fio diamantado

4 – Sistema de

medição da tensão do

fio diamantado

Figura 50 - Representação esquemática do sistema de polias com o sistema de medição da tensão do fio

diamantado

Relativamente ao controlo dos parâmetros de corte, é idealizado que o operador introduza apenas

o valor da velocidade linear do fio diamantado, valor esse recomendado pelo fabricante de

ferramentas de corte, com base na dureza da rocha a cortar. A velocidade de avanço é controlada

pelo controlador com base nos valores medidos da tensão exercida sobre o cabo de aço da

ferramenta de corte. A velocidade linear do fio diamantado é mantida constante durante todo o

processo de corte. Posto isto, é sobressaída a necessidade de atribuição de um valor relativo à

tensão máxima admissível sobre o fio diamantado, pelo qual é controlado a velocidade de avanço

da operação de corte.

A solução apresentada é mais evoluída, em termos tecnológicos e construtivos, o que resulta num

acréscimo do custo do equipamento, comparativamente com o sistema de polias e controlo

apresentado anteriormente. Contudo, tendo em consideração o aumento da produtividade de corte


Monteiro, Carlos 45

aliada ao previsto aumento da longevidade do fio diamantado é expectável que o cliente venha a

ter o retorno do investimento realizado a médio e longo prazo.

7.5.3.2.1 Sistema de medição da tensão do fio diamantado

O instrumento de medição da tensão do cabo de aço do fio diamantado é um subsistema que esta

inserido no sistema de polias, apresentado no subcapítulo 7.5.3.2, na Figura 50. Este instrumento

é instalado na polia tratora, uma vez que a tensão máxima exercida sobre o cabo de aço do fio

diamantado encontra-se entre a zona de saída da chapa a serrar e a polia tratora, tendo em

consideração o sentido de rotação esquematizado na Figura 50. A função principal do instrumento

de medição, no equipamento projetado, é o controlo dos parâmetros durante o processo de corte,

mas também de proteção dos operários e meios físicos situados na área circundante. Uma tensão

excessiva, sobre o cabo de aço, pode provocar a sua rutura, e devido à tensão a que este está sujeito

existe a possibilidade de serem projetadas as pérolas diamantadas ou até mesmo o próprio cabo de

aço [22].

O transformador diferencial variável linear (Figura 51) foi o instrumento de medição selecionado

para medir a tensão exercida sobre o cabo de aço.

Os transformadores diferenciais variáveis lineares são caraterizados pelo seu custo reduzido, por

serem duradouros devido à sua robustez e solidez e por possuírem curtos tempos de resposta [35].

O princípio de medição associado ao instrumento selecionado é relativo a um fenómeno de

natureza física, mais concretamente a tensão elétrica [36][37]. A tensão elétrica é a grandeza que

se pretende medir (mensuranda) [36]. A movimentação do núcleo magnético no interior das

bobinas irá provocar uma variação da tensão elétrica, e consequentemente, o valor medido é

convertido num sinal elétrico [36][37].

O instrumento de medição em análise é empregue com frequência em diversos tipos de

dispositivos mecânicos, onde é necessário converter uma posição física num sinal elétrico. O

funcionamento do sistema de medição da tensão exercida no cabo de aço do fio diamantado do,

equipamento a projetar, é apresentado na Figura 52.

Figura 51 - Ilustração de um transformador diferencial variável linear (Fonte:

http://www.solartronmetrology.com.br/image.asbx?AttributeFileId=3fa87208-654e-4485-88d2-f97f466c9993,

acedido a 06/11/2014)


Monteiro, Carlos 46

Legenda:

1- Fio diamantado

2- Polia

3- Chumaceira

4- Guias da polia

5- Mola helicoidal de

compressão

6- Núcleo magnético

7- Sistema de bobinas

Figura 52 - Representação do sistema de medição da tensão exercida sobre o fio diamantado

Durante o processo de corte a tensão exercida sobre fio diamantado varia em função das condições

de corte. Neste sentido, sabendo que a área de contato do fio diamantado com a polia é constante,

a pressão exercida sobre a polia é dependente do valor da tensão exercida sobre o cabo de aço,

resultante da operação de corte. Logo a tensão exercida sobre o cabo de aço da ferramenta de corte

provoca uma deformação da mola helicoidal de compressão (calibrada) e consequentemente

ocorre o deslocamento do núcleo magnético pelo interior do sistema de bobinas (Figura 53).

Legenda:

1- Fio diamantado

2- Polia

3- Chumaceira

4- Guias da polia

5- Mola helicoidal de

compressão

6- Núcleo magnético

7- Sistema de bobinas

Figura 53 - Representação da deformação da mola helicoidal no sistema de medição da tensão exercida sobre o fio

diamantado

Desta forma, o valor do deslocamento provocado pela deformação da mola helicoidal de

compressão é convertido num sinal elétrico. Este sinal é enviado ao controlador, que com base no

valor medido da tensão elétrica pelo transformador diferencial variável linear, controla a

velocidade de avanço da operação de corte.

O uso deste sistema de medição maximiza a eficiência de corte, uma vez que é expetável um

aumento da longevidade das pérolas diamantadas conjugado com uma maior produtividade de

corte, tendo por base um valor de tensão adequado às condições de corte. Este sistema de medição

tem a particularidade de responder de uma forma hábil quando ocorre o entalhamento das pérolas

diamantadas no perfil de corte, pois verifica-se uma diminuição repentina da tensão sobre o cabo

de aço da ferramenta de corte, devido à deformação da mola, e ocorre a diminuição da velocidade

de avanço. Este sistema é vantajoso comparativamente com sistemas de medição e controlo da


Monteiro, Carlos 47

tensão da ferramenta de corte existentes. Nesses sistemas verifica-se que quando ocorre um

aumento brusco da tensão sobre o cabo de aço, é diminuída a velocidade de avanço mas a tensão

sob a ferramenta de corte durante um curto, mas relevante intervalo de tempo, é mantida constante,

o que origina condições de corte violentas sob pérolas diamantadas.

7.5.3.3 Processamento do fluído e dos resíduos de corte

A àgua é o recurso utilizado como fluído de corte, na generalidade das operações fabris efetuadas

na pedra, devido à sua notória e benéfica influência. É importante referir que em Portugal é

obrigatório por lei todas a empresas ligadas ao setor industria,l ao qual se dirige o equipamento

projetado, possuirem nas suas instalações sistemas de aproveitamento e reutilização da àgua e de

retenção e depósito das lamas provenientes da operação de corte, em locais destinados. Estas

lamas, posteriormente, são recolhidas e utilizadas na composição de diversos produtos por outras

entidades industriais.

Assim, toda a àrea envolvente ao local onde o equipamento irá operar, é contruída com uma

determinada configuração para que a àgua e todos os residuos provenientes da operação de corte

sejam dirigidos para o local adequado (Figura 54).

Legenda:

Locais de escoamento da água

juntamente com as lamas e

resíduos resultantes do corte na

área de trabalho

Figura 54 - Exemplo de configuração da área de trabalho (Fonte:

http://www.poeiras.com/#!untitled/zoom/c5ho/image1uep, acedido a 23/11/2014)

Por norma, toda a àgua proveniente do parque de máquinas é direccionada para um reservatório,

onde é acumulada. No trajecto até ao reservatório a àgua é filtrada e são romovidos e depositados

em locais específicos todos os residuos provenientes do corte.

7.5.3.4 Sistema Auxiliar de corte

No processo de divisão da chapa, durante a operação de corte, é necessária a alocação de um

objeto, ao longo do perfil de corte gerado, para que a chapa não se fragmente devido à sua flexão

(Figura 55).


Monteiro, Carlos 48

Figura 55 - Representação esquemática da chapa a seccionar sem alocação de suportes ao longo do perfil

de corte

A solução pensada, para a resolução da situação descrita, passa pela alocação manual ou

automática de placas de nylon ao longo do perfil de corte gerado (Figura 56).

Figura 56 - Representação esquemática das placas de nylon ao longo do perfil de corte gerado

Por ventura, se optar pela alocação manual, o operador terá de colocar manualmente as placas de

nylon ao longo do perfil de corte gerado dos dois lados da chapa. A opção de alocação automática

é totalmente viável, visto que a produtividade de corte da tecnologia de corte por fio diamantado

situa-se à volta dos 4,5 𝑚2

ℎ⁄ [22]. Este valor demonstra que o operário iria passar tempo

considerável sem realizar qualquer tipo de tarefa durante a operação de divisão da chapa. A solução

idealizada baseia-se em quatro componentes que em conjunto formam o sistema de alocação das

placas no perfil de corte. O primeiro componente é a placa de nylon. Foram idealizados dois tipos

de placas (Figura 57) com configurações distintas. A diferença encontra-se na posição do furo no

centro das placas, pois a configuração do furo é igual nos dois tipos de placas.

Figura 57 - Representação esquemática dos diferentes tipos placas de nylon


Monteiro, Carlos 49

O segundo componente é o depósito das placas de nylon, onde estas terão de ser introduzidas

alternadamente (Figura 58). O terceiro componente é um veio com dois perfis retangulares na sua

extremidade alinhados a 180ᵒ (Figura 59).

O veio atravessa o centro das placas de nylon situadas no alimentador, a rotação deste está limitada

a quatro intervalos de rotação de [0ᵒ,90ᵒ], de [90ᵒ,180ᵒ], de [180ᵒ,270ᵒ] e de [270ᵒ,360ᵒ]. Devido à

alternância da posição dos dois tipos de furos das placas de nylon e da configuração do veio, é

possível que cada placa, devido à gravidade, caia no alimentador na posição correta (Figura 60).

Figura 58 - Representação esquemática do

depósito com as placas de nylon

Figura 59 - Representação esquemática do veio

do depósito das placas de nylon

Figura 60 - Representação esquemática do alimentador das placas de nylon


Monteiro, Carlos 50

A cada movimento de rotação do veio, uma placa cairá sobre o alimentador que está posicionado

debaixo do depósito das placas. O alimentador, o quarto elemento do sistema, é movimentado por

um cilindro pneumático que irá alocar a placa de nylon no perfil de corte gerado. As abas na parte

inferior da placa de nylon servem para tornar mais fácil e fiável a movimentação da placa sobre o

alimentador, mas a função desta é evitar o contato do alimentador com a pedra quando este aloca

a placa de nylon no perfil de corte. O curso do cilindro pneumático é controlado pela largura da

chapa, este dado é introduzido pelo operador na máquina. A cadência de alocação de placas de

nylon no perfil de corte é controlada pela distância de corte percorrida. O material selecionado

para as placas foi o nylon, devido à sua elevada resistência ao desgaste e à sua fácil operabilidade.

7.6 Recolha de chapa

A operação de recolha de chapa é realizada com os mesmos equipamentos descritos no subcapítulo

7.5.1, mais concretamente a garra, os cabos de aço e a ventosa. Assim, com estes equipamentos as

chapas são facilmente removidas da área de trabalho e transportadas para o local pretendido.

7.7 Avaliação das soluções

Depois de concebidas as diversas soluções, correspondentes a todas as subfunções, estas são

combinadas para se gerar uma solução completa. Foram avaliadas em primeiro lugar as soluções

de forma grosseira, excluindo aquelas que aparentemente têm falhas graves ou que não são tão

praticáveis como outras, que por motivos de complexidade, custo, dificuldade de construção ou

operação. Neste sentido formaram-se 4 soluções possíveis para posterior avaliação, apresentadas

nas Tabela 4, 5, 6 e 7.

Tabela 4 – Solução 1

Colocação de

chapas Cabos de aço

Operação de corte

Tracionamento do fio

diamantado Atuador linear

Posicionamento do fio

diamantado Rotação simultânea dos fusos

Processo de corte

Movimento de avanço Movimento da estrutura envolvente do fio diamantado

Sistema de polias e

controlo dos parâmetros

de corte

Sistema de polias com controlo dos parâmetros de corte

com base no valor medido da tensão do fio diamantado

Processamento do fluído e

resíduos de corte

Configuração da área envolvente ao equipamento de

corte

Sistema auxiliar de corte Alocação automática de placas de nylon

Recolha de chapas Cabos de aço


Monteiro, Carlos 51

Tabela 5 - Solução 2

Colocação de

chapas Cabos de aço

Operação de corte





Processo de corte

Movimento de avanço Movimento da estrutura envolvente do fio diamantado

Sistema de polias e


de corte

Sistema de polias sem controlo automático dos

parâmetros de corte

Processamento do fluído

e resíduos de corte


corte

Sistema auxiliar de corte Alocação manual de placas de nylon



Colocação de

chapas Garra

Operação de corte





Processo de corte

Movimento de avanço Movimento da mesa de trabalho

Sistema de polias e controlo

dos parâmetros de corte

Sistema de polias com controlo dos parâmetros de

corte com base no valor medido da tensão do fio

diamantado


resíduos de corte


corte

Sistema auxiliar de corte Alocação automática de placas de nylon

Recolha de chapas Garra


Colocação de chapas Cabos de aço

Operação de corte





Processo de corte

Movimento de avanço Movimento da estrutura envolvente do fio

diamantado

Sistema de polias e


de corte

Sistema de polias com controlo dos parâmetros de

corte com base no valor medido da tensão do fio

diamantado


resíduos de corte


corte

Sistema auxiliar de corte Alocação manual de placas de nylon


Concluído o arranjo das várias soluções, que constituem a solução final, é realizada uma avaliação

destas, tendo como principal objetivo obter a melhor solução. Para tal, foi efetuado um


Monteiro, Carlos 52

procedimento racional e utilizado o método dos objetivos ponderados. Este método atribui pesos

numéricos aos objetivos e pontuações numéricas aos desempenhos das soluções medidas em

função dos objetivos. Numa primeira fase são listados e ordenados, por ordem de importância,

todos os objetivos presentes na árvore de objetivos. Neste sentido é construída uma matriz, onde

é realizada a comparação entre pares de objetivos (Tabela 8). A comparação é realizada da seguinte

forma: é atribuído o valor 1 ou 0 em cada célula da matriz, dependendo se o primeiro objetivo é

considerado mais ou menos importante que o segundo, e assim por diante.

Tabela 8 - Matriz de comparação

Objetivos A B C D E F G H I J Total

A - Fácil operação - 0 1 0 0 1 1 1 1 0 6

B - Controlo dos parâmetros de

corte 1 - 1 0 0 1 1 1 1 0 7

C – Simplicidade do equipamento 0 0 - 0 0 0 0 0 0 0 1

D - Componentes adequados ao

meio de trabalho

1

1 1 - 0 1 1 1 1 0 8

E - Segurança dos operários 1 1 1 1 - 1 1 1 1 1 10

F – Interface do software da

máquina intuitivo 0 0 1 0 0 - 1 0 0 0 3

G - Reduzido número de

componentes 0 0 1 0 0 0 - 1 0 0 3

H - Custo reduzidos de manutenção 0 0 1 0 0 1 0 - 0 0 3

I - Componentes normalizados 0 0 1 0 0 1 1 1 - 0 5

J - Segurança de operação 1 1 1 1 0 1 1 1 1 - 10

Concluída a matriz de comparação de objetivos, procede-se à verificação do resultado relativo à

simplicidade do equipamento, que ficou abaixo do esperado, todavia, visto ser um objetivo

relevante para o equipamento, foi aumentado o seu peso relativo, diminuindo-se o peso relativo

dos componentes adequados ao meio. Também é de realçar que o cumprimento de uns objetivos

irá resultar no cumprimento de outros, exemplo disso é a simplicidade do equipamento que se

reflete em grande parte pela constituição maioritária de componentes normalizados e por um

número reduzido dos mesmos. Posto isto, os objetivos foram ordenados de forma a serem

atribuídos pesos relativos a cada um, com base na matriz de comparação de objetivos.

Posteriormente, foi atribuída uma avaliação, através de uma escala crescente, de 1 a 5 valores para

cada solução relativamente aos objetivos. Essa avaliação foi transformada em percentagens, que

foram somadas. A melhor solução teórica é a apresentada pela solução 4, como se pode verificar

na Tabela 9.


Monteiro, Carlos 53

Tabela 9 – Avaliação das soluções

Objetivos Ordenados

Pesos

relativos

(%)

Solução 1 Solução 2 Solução 3 Solução 4

1-5 (%) 1-5 (%) 1-5 (%) 1-5 (%)

Segurança dos operários 17,86 5 17,86 4 14,29 5 17,86 5 17,86

Segurança da operação 17,86 5 17,86 4 14,29 5 17,86 5 17,86

Componentes adequados ao

meio de trabalho 12,5 5 12,5 5 12,5 4 10 5 12,5

Controlo dos parâmetros de

corte 12,5 5 12,5 2 5 5 12,5 5 12,5

Fácil operabilidade 10,71 4 8,57 3 6,43 4 8,57 5 10,71

Componentes normalizados 8,93 5 8,93 5 8,93 5 8,93 5 8,93

Reduzido número de

componentes 5,36 3 3,22 5 5,36 3 3,22 4 4,29

Custos reduzidos de

manutenção 5,36 4 4,29 4 4,29 4 4,29 4 4,29

Interface do software da

máquina intuitivo 5,36 5 6,36 4 4,29 5 5,36 5 5,36

Simplicidade do equipamento 3,57 4 2,86 5 3,57 4 2,86 4 2,86

Totais 100 45 93,94 41 78,94 44 91,44 47 97,15


Monteiro, Carlos 55

8 SELEÇÃO E DIMENSIONAMENTO DOS COMPONENTES CONSTITUINTES DO PROTÓTIPO

8.1 Sistema de polias

Neste subcapítulo será calculado o valor teórico da força que a polia tratora tem de exercer sobre

o fio diamantado para que não ocorra o escorregamento entre ambos. O valor da pré-tensão,

aplicada ao fio diamantado, tem extrema importância devido ao impacto deste sobre o processo de

corte (capítulo 4). Neste sentido, o valor calculado para a pré-tensão representa um valor teórico,

uma vez que é necessária a realização de diversos testes que validem ou desvirtuem o valor da pré-

tensão calculado. Todos os cálculos realizados para o pré-tensionamento são fundamentados,

tendo por base os estudos realizados para o dimensionamento de correias, devido às semelhanças

com a tecnologia de corte de pedra por fio diamantado [38]. Através das equações 3 e 4 é

formulado um sistema onde se calcula o valor da tensão no ramo tenso e a tensão no ramo bambo.

{

𝑇 𝑟𝑎𝑚𝑜 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑜

𝑇 𝑟𝑎𝑚𝑜 𝑏𝑎𝑚𝑏𝑜 = 𝑒µ𝛼 (3)

𝑃 = (𝑇 𝑟𝑎𝑚𝑜 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑜 − 𝑇 𝑟𝑎𝑚𝑜 𝑏𝑎𝑚𝑏𝑜). 𝑣 (4)

Uma vez que existe uma carência relativa ao conhecimento da potência necessária para a

realização da operação de corte, foi realizado um estudo de mercado em algumas empresas que

comercializam equipamentos idênticos ao equipamento a projetar. Perante o estudo de mercado

realizado conclui-se que a potência mais comum utilizada, no tipo de equipamento em análise, é

de 15 kW10 11.

Outro fator totalmente desconhecido é o coeficiente de atrito entre o fio diamantado e a superfície

da polia. Segundo vários fabricantes de fio diamantado, para o tipo de operação de corte realizado

pelo equipamento projetado neste trabalho, é aconselhável a utilização de uma ferramenta de corte

com 30 a 40 pérolas por metro espaçadas por um revestimento de plástico. Assim é evidente a

dificuldade em atribuir um valor teórico relativo ao coeficiente de atrito. Para efeitos de cálculo

foi considerado um valor de 0.9. A atribuição deste valor teve como fundamentação teórica o

coeficiente de atrito estático entre o algumas conjugações de materiais idênticos ao contato do fio

diamantado com a superfície da polia motora12.

Segundo a maior parte dos fabricantes de fio diamantado, o intervalo de velocidades utilizadas

para o corte dos diversos tipos de rochas está compreendido entre os 20 e 35 𝑚 𝑠⁄ . A partir da

equação 4 verifica-se que o incremento da velocidade linear da ferramenta de corte provoca uma

diminuição da tensão sobre esta. Tendo em consideração o efeito da velocidade linear sobre a

tensão do fio diamantado foi selecionado o valor de velocidade linear, que resulta numa maior

tensão sobre o cabo de aço (20 𝑚 𝑠⁄ ). Desta forma, é teoricamente esperado que, para qualquer

velocidade, não ocorra o escorregamento do fio diamantado sobre a superfície da polia motora. É

10 http://www.breton.it/marble/pt/product/Mono-wire_Shaping_machines/EASYWIRE_mono-wire_machine,

acedido a 05/11/2014; 11 http://www.poeiras.com/#!double-face-stone-block/c1xpz, acedido a 05/11/2014; 12 http://www.ctb.com.pt/?page_id=1467, acedido a 06/11/2014.

http://www.breton.it/marble/pt/product/Mono-wire_Shaping_machines/EASYWIRE_mono-wire_machine


Monteiro, Carlos 56

assim credível a atribuição, pelo controlador do equipamento, de uma força de pré-tensionamento

específica com base na velocidade de corte desejada para realizar a operação de corte, uma vez

que é conhecida a importância da força de pré-tensionamento exercida sobre a ferramenta de corte.

No cálculo da tensão do ramo tenso e do ramo bambo é desprezada a força centrífuga, facto que

se justifica pela reduzida velocidade linear e pelo reduzido peso por unidade de medida.

Tabela 10 - Valores dos vários fatores que formulam as equações 3 e 4

T ramo tenso 797 N

T ramo bambo 47 N

Coeficiente de atrito (µ) 0.9

Ângulo de contacto do fio diamantado com a

polia motora (α) π

Potência (P) 15kW

Velocidade linear (𝒗) 20 𝑚 𝑠⁄

A força de pré-tensionamento é dada aproximadamente por [38]:

T0 =T ramo tenso+T ramo bambo

2 (5)

Tabela 11 - Valores dos fatores que formulam a equação 5

T ramo tenso 797 N

T ramo bambo 47 N

Força de pré-tensionamento (𝑻𝟎) 422 N

O comprimento do fio diamantado para o sistema de polias idealizado do equipamento de corte é

aproximadamente [38]:

𝐿 = 2𝐶 + 1.57 (𝐷 + 𝑑) +(𝐷−𝑑)2

4𝐶 (6)


Entre-eixo (C) 3770 mm

Diâmetro da polia tratora (D) 590 mm

Diâmetro da polia motora (d) 590 mm

Comprimento do fio diamantado (L) 9400 mm

8.2 Sistema de medição da tensão exercida sobre o fio diamantado

As molas são utilizadas em equipamentos para exercerem força, transmitir flexibilidade e

armazenar ou absorver energia. Existem diversos tipos de molas com várias morfologias,

disposições e diferentes materiais que constituem o arame. No equipamento a projetar foi


Monteiro, Carlos 57

empregue uma mola helicoidal de compressão com as duas extremidades do arame em esquadro e

esmeriladas. Esta seleção é justificada fundamentalmente pelos requisitos a que a mola é sujeita e

pelo local onde esta é alocada.

O material do arame da mola foi selecionado com base na carga a que esta é sujeita e pela forma

como varia a carga durante o ciclo de funcionamento da mola. Nesse sentido, o material mais

adequado para o arame da mola é o aço Cromo-Vanádio. Este material é aplicado em molas sujeitas

a tensões elevadas (impacto) e em situações em que seja essencial uma elevada resistência à fadiga.

Após selecionado o material do arame da mola foi realizado o dimensionamento desta, para cargas

dinâmicas. Em termos de fadiga é fundamental conhecer o valor da tensão média (τm) e da tensão

alternada (τa), com base nos valores da força mínima e da força máxima aplicadas sobre a mola,

durante o processo de corte. O dimensionamento de molas à fadiga é formulado por dois critérios

conhecidos da teoria da fadiga:

1º Critério: o valor da tensão alternada (τa) terá de ser inferior ou igual ao valor da tensão limite

de fadiga em torção (equação 7) [20]:

τa ≤ 𝑆𝑠𝑒

𝑛 (7)

2º Critério: o valor da soma da tensão média (τm) e da tensão alternada (τa) terá de ser inferior ao

valor da tensão de cedência (ao corte) em torção (𝑆𝑠𝑒) (equação 8) [20]:

τmax = τa + τm ≤ 𝑆𝑠𝑦

𝑛 (8)

Segundo Zimmerli, para diâmetros de arames inferiores a 10 mm, a resistência à fadiga dos aços

da mola é de 𝑆´𝑠𝑒 = 465 𝑀𝑃𝑎 para molas grenalhadas ou 𝑆´𝑠𝑒 = 310 𝑀𝑃𝑎 para molas não

grenalhadas. Estes valores de 𝑆´𝑠𝑒 devem ser afetados pelos fatores de correção de temperatura

(𝑘𝑐) e fiabilidade (𝑘𝑑). Uma vez que a variação entre a força máxima e a força mínima é elevada

é preferível o uso das molas grenalhadas, pois estas evidenciam uma maior resistência à fadiga

comparativamente à mesma mola sem o tratamento superficial [20].

𝑆𝑠𝑒 = 𝑆´𝑠𝑒 × 𝑘𝑐 × 𝑘𝑑 (9)


𝑺´𝒔𝒆 465 MPa

𝒌𝒄 (Temperatura ambiente) 1

𝒌𝒅 (Fiabilidade de 99%) 0.814

𝑺𝒔𝒆 378 MPa

Posteriormente foi calculada a tensão alternada (τa) [20]:

τa = Kw 8 𝐹𝑎 𝐷

𝜋 𝑑3 (10)

𝐹𝑎 = 𝐹 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎−𝐹 𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑎

2 (11)


Monteiro, Carlos 58

A força alternada (Fa) exercida sobre a mola, durante o seu ciclo de funcionamento, é

respetivamente a diferença entre a força máxima e a força mínima exercida pelo fio diamantado

sobre a polia tratora. A força mínima é representada pela força exercida sobre a polia tratora

durante a fase de pré-tensionamento, calculada anteriormente. Logo a força mínima é dada por

(equação 12) [20]:

𝐹 𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑎 = 2 𝑇0 × 𝑠𝑒𝑛 (𝛼 2⁄ ) (12)


Força de pré-tensionamento (𝑻𝟎) 422 N

Ângulo de contacto do fio diamantado com a

polia motora (α) π

F mínima 844 N

A força máxima exercida pelo fio diamantado, sobre a polia tratora, é um valor totalmente

desconhecido em toda a bibliografia consultada. No entanto, o valor teórico atribuído é calculado

com base na tensão de cedência à tração dos cabos de aço que compõe o fio diamantado. Segundo

o fabricante, Diamant Boart, o diâmetro do cabo de aço varia entre os 3,5 e os 4mm, tendo como

base as diversas configurações de fio diamantado indicadas para o equipamento a projetar.

Sabendo o diâmetro e o tipo de configuração do cabo de aço (6 × 7 𝐹𝐶), foi calculada a tensão de

cedência à tração através da equação 13 (anexo II) [20]:

𝑇𝑈 = 𝐴 × 𝑑1.95 (13)


Coeficiente (A) 0.608

Diâmetro do cabo de aço (d) 3.5 mm

Tensão de cedência à tração (𝑻𝑼) 7000 N

Para efeitos de cálculo, foi selecionado o cabo de aço com menor diâmetro, uma vez que este é

caracterizado por um valor de tensão de cedência à tração inferior comparativamente com o cabo

de aço com um diâmetro ligeiramente maior. É conhecido que o valor de tensão de cedência à

tração do cabo é muito superior à tensão desejável do cabo de aço durante o processo de corte, e

que somente em situações de corte críticas e indesejáveis é que a tensão do fio diamantado é similar

à tensão de cedência do cabo de aço. Posto isto, foi identificada a necessidade do equipamento

controlar a tensão máxima de corte sobre o cabo de aço do fio diamantado, entre valores abaixo

da tensão de cedência à tração deste. Deste modo, é expectável, que incite um menor desgaste da

ferramenta de corte e das polias. Para efeitos de cálculo é admitida uma tensão máxima sobre a

polia tratora de 4000 N, embora este valor careça de fundamentação teórica e prática. Neste sentido

a força alternada é calculada pela equação 11 [20].


Monteiro, Carlos 59


F máxima 4000 N

F mínima 844 N

Fa 1578 N

Com base no primeiro critério de dimensionamento da fadiga de molas (equação 7) é atribuído um

valor para o diâmetro do arame da mola inferior a 10 mm e calculado o diâmetro médio da mola.

Relativamente ao coeficiente 𝐾𝑤, este é calculado a partir da relação entre o diâmetro do arame e

o diâmetro médio da mola. O seu valor tem uma insignificante variação e uma reduzida influência

na equação 15, no entanto é admitido um valor para o diâmetro médio da mola de 50 mm,

exclusivamente para o cálculo do fator 𝐾𝑤 [20].

Tabela 17 - Valores dos fatores que formulam a equação 7 e 10

Diâmetro médio da mola Admitido (𝑫𝒎) 50 mm

Diâmetro do arame atribuído (d) 10 mm

Índice de mola (c): 𝒄 =𝑫𝒎

𝒅 5

Fator de correção de Wahl (Kw): 𝑲𝒘 = 𝟒𝒄−𝟏

𝟒𝒄−𝟒+

𝟎.𝟔𝟏𝟓

𝒄 1.3

Força alternada (Fa) 1578 N

Fator de segurança (n) 1.2

Tensão alternada (𝛕𝐚) = (𝑺𝒔𝒆 𝒏⁄ ) 315 MPa

Diâmetro médio calculado 60 mm

Diâmetro médio da mola atribuído (D) 45 mm

Tensão alternada (𝛕𝐚) para um diâmetro médio da mola de 45 mm 235 MPa

Durante o cálculo do diâmetro médio da mola foi necessário atribuir um valor inferior ao diâmetro

médio calculado, uma vez que para o diâmetro médio calculado a tensão máxima (τ máx) exercida

sobre a mola excedia a tensão cedência em torção (𝑆𝑠𝑦) (equação 8). Foi necessário atribuir um

diâmetro médio à mola para que esta resistisse às solicitações provenientes do processo de corte.

O valor do diâmetro médio da mola, que respeita os dois critérios de dimensionamento de molas

à fadiga, é de 45 mm [20].

Após ser determinado o diâmetro médio e o diâmetro do arame da mola, com base no primeiro

critério à fadiga (equação 7), foi verificado pelo segundo critério (critério de cedência estática)

(equação 8) se a mola resiste à carga a que é sujeita. Posto isto, foi calculada a força média (Fm)

com base na equação 14 [20]:

𝐹𝑚 =𝐹 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎+𝐹 𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑎

2 (14)


Força máxima 4000 N

Força mínima 844 N

Força média (Fm) 2422 N


Monteiro, Carlos 60

Posteriormente foi calculada a tensão média (τm) [20]:

τm = Kw 8 𝐹𝑚 𝐷

𝜋 𝑑3 (15)


Diâmetro médio da mola Admitido (𝑫𝒎) 50 mm

Diâmetro do arame atribuído (d) 10 mm

Índice de mola (c): 𝒄 =𝑫𝒎

𝒅 5

Fator de correção de Wahl (Kw): 𝑲𝒘 = 𝟒𝒄−𝟏

𝟒𝒄−𝟒+

𝟎.𝟔𝟏𝟓

𝒄 1.3

Força média (Fm) 2422 N

Fator de segurança (n) 1.2

Diâmetro médio da mola especificado (D) 45 mm

Tensão média (𝛕𝐦) 360 MPa

Posteriormente foi calculada a tensão de cedência (ao corte) em torção (𝑆𝑠𝑦) (equação 17) com

base na tensão de rotura à tração da mola (𝑆𝑢𝑡) (equação 16) (Anexo III) [20].

𝑆𝑢𝑡 =𝐴

𝑑𝑚 (16)


Constante (A) 2000 MPa

Diâmetro do arame (d) 10 mm

Expoente (m) 0,167

𝑺𝒖𝒕 1362 MPa

𝑆𝑠𝑦 = 0.56 𝑆𝑢𝑡 (17)


𝑺𝒖𝒕 1362 MPa

𝑺𝒔𝒚 763 MPa

Por fim é validado o segundo critério para o dimensionamento de molas helicoidais à fadiga

(equação 8) [20]:

τmax = τa + τm ≤ 𝑆𝑠𝑦

𝑛 (8)


Monteiro, Carlos 61


Tensão alternada (𝛕𝐚) 235 MPa

Tensão média (𝛕𝐦) 361 MPa

Tensão de cedência em torção (𝑺𝒔𝒚) 763 MPa

Fator de segurança (𝒏) 1,2

𝛕𝐚 + 𝛕𝐦 ≤ 𝑺𝒔𝒚

𝒏 596𝑀𝑃𝑎 ≤ 635 𝑀𝑃𝑎

Terminado o dimensionamento da mola à fadiga, foi realizado o cálculo das restantes

especificações morfológicas da mola, baseados na deformação admissível (equação 18) e na

configuração requerida para as extremidades da mola. Admitindo uma deformação máxima da

mola de 60 mm foi calculado o número de espiras ativas da mola [20]:

𝑦 = 𝐾𝑤8 𝐹𝑚𝑎𝑥 𝐷3𝑁𝑎

𝑑4𝐺 (18)


Fator de correção de Wahl (Kw) 1.3

Força máxima (F máx) 4000 N

Diâmetro médio da mola (D) 45 mm

Número de espiras ativas (Na) 12


Módulo de elasticidade da mola (G)13 77 GPa

Deformação (y) 60 mm

A configuração das extremidades da mola em esquadria e esmeriladas confere à mola a seguinte

morfologia [20]:

1º) Número total de espiras da mola (equação 19):

𝑁𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑁𝑎 + 2 (19)


Número de espiras ativas da mola (Na) 12

Número total de espiras da mola (Na total) 14

2º) Comprimento da mola comprimida (equação 20):

𝐿𝑖 = (2 + 𝑁𝑎) 𝑑 (20)

13 http://www.hoesch.com.br/index.php/tecnologia-constante/br/constante-elastica, acedido a 10/11/2014;


Monteiro, Carlos 62




Comprimento da mola comprimida (Li) 140 mm

3º) Passo da mola (equação 21):

𝑃 =(𝑦+𝐿𝑖)−2𝑑

𝑁𝑎 (21)



Comprimento da mola comprimida (Li) 140 mm



Passo da mola (P) 15 mm

4º) Comprimento livre da mola (equação 22):

𝐿0 = 𝑁𝑎 × 𝑃 + 2𝑑 (22)



Passo da mola (P) 15


Comprimento livre da mola (𝑳𝟎) 200 mm

Em suma, as características da mola helicoidal de compressão dimensionada para desempenhar a

função pretendida estão estabelecidas na Tabela 28.

Tabela 28 - Caraterísticas da mola helicoidal de compressão dimensionada

Comprimento livre da mola (𝑳𝟎) 200 mm


Constante da mola (K): 𝑲 =𝑭 𝒎á𝒙

𝒚 66667 𝑁 𝑚⁄


Diâmetro médio da mola (D) 45 mm

Índice de mola (C) 4,5


Configuração das extremidades da mola Extremidades em esquadria e esmeriladas

Material do arame da mola Aço Cromo-Vanádio

Tratamento superficial do arame Grenalhagem


Monteiro, Carlos 63

8.3 Colunas do pórtico

A seleção do perfil estrutural das colunas do pórtico do equipamento a dimensionar, teve por base

a deflexão máxima admissível, ou seja, é a capacidade da estrutura suportar determinado

carregamento sem sofrer deformações consideradas excessivas para determinada aplicação. A

deflexão máxima admissível de uma viga sob um determinado carregamento tem uma importância

determinante, uma vez que as especificações de projeto de uma viga, geralmente incluem um valor

máximo admissível para a sua deflexão [39].

A Figura 61 representa, simplificadamente, o sentido e a direção da carga que o patim da guia

linear exerce sobre a viga durante o processo de corte.

Figura 61- Representação do sentido e direção da carga exercida pelos patins da guia linear nas vigas do pórtico,

com base na curvatura do fio diamantado

Na Figura 61 é ilustrada uma viga em balanço, onde uma das extremidades é encastrada no solo.

A carga P é aplicada na extremidade livre da viga, pois é nesta posição que se verifica a máxima

deflexão (1550 mm).

Tendo como base a equação 23, relativa à deflexão de vigas em balanço, e considerando que a

carga máxima (P) é a mesma que a calculada anteriormente para a tensão de cedência à tração do

cabo de aço, conclui-se que para uma deflexão máxima admissível de 1 mm é necessário um perfil

em aço com um momento de inércia de 4.35 × 103 𝑐𝑚4, na direção da carga aplicada na viga.

𝑦𝑎 =𝑃𝑝𝐿

3

3𝐸𝐼 (23)

Curvatura do fio diamantado


Monteiro, Carlos 64

Tabela 29 - Valores dos vários fatores intervenientes na equação 23

Deflexão máxima (ya) 1mm

Carga máxima aplicada na viga (P) 7000 N

Fator de segurança 1.1

Potência de projeto (𝑷𝒑) 7700 N

Comprimento da viga onde é aplicada a carga (L) 1550 mm

Módulo de elasticidade do aço (E) 210 Gpa

Momento de inércia (I) 4.35 × 103 cm4

O perfil cantoneira de abas iguais a 250x250x20 (Figura 62) foi o perfil selecionado para as

colunas do pórtico. A preferência deste perfil, em prol de outros, é justificado por fatores

meramente construtivos dos vários componentes periféricos à coluna.

Figura 62- Perfil cantoneira de abas iguais (Fonte: http://www.scielo.br/img/revistas/rem/v60n2/n02a18fig03.gif,

acedido a 23/11/2014)

Relativamente à estabilidade da coluna, isto é, a capacidade desta suportar determinado

carregamento axial sem sofrer uma mudança abrupta da sua configuração, conclui-se, após uma

análise da carga axial excêntrica que atua sobre a coluna, com o perfil selecionado anteriormente

(cantoneira de abas iguais 250x250x20), que a encurvadura exercida na coluna é desprezável [39].

8.4 Sistema de transmissão do movimento sincronizado das estruturas das polias

Relativamente ao sistema idealizado no subcapítulo 7.5.2.2, referente ao posicionamento do fio

diamantado, foram realizadas algumas modificações relevantes para o projeto final do

equipamento. O motivo que propiciou a mudança do sistema ilustrado na Figura 63 (anteriormente

ilustrado pela Figura 45), para a movimentação sincronizada das estruturas, foi o facto do peso

destas estarem aplicadas sobre o respetivo sistema de transmissão de movimento do fuso com a

porca. Este facto iria provocar um desgaste prematuro dos dois componentes, aliado à imprecisão

do movimento.


Monteiro, Carlos 65

Legenda:

1 – Corrente de elos

2 – Roda dentada

3 – Guia linear

4 – Fuso

5 – Coluna do pórtico

Figura 63 - Representação esquemática do mecanismo de movimentação da estrutura metálica

A solução idealizada para resolver o problema verificado passa pelo acréscimo de uma roldana em

cada coluna do pórtico, através da qual é movimentado um cabo de aço. Este é ligado à respetiva

estrutura e a uma massa sensivelmente de igual valor (contrapeso), situado do lado oposto da

coluna do pórtico (Figura 64).

Legenda:

1 – Roldana

2 – Estrutura da roldana

3 – Cabo de aço

Pr – Carga resultante exercida

sobre o veio da roldana

Figura 64 - Ilustração do sistema de equilíbrio de massas das estruturas das polias

A roldana fixa no topo da coluna do pórtico tem a função de auxiliar o movimento linear do cabo

de aço mas também de suportar a carga composta pelo peso da estrutura de polias e pelo

contrapeso. Esta modificação faz com que o binário necessário, realizado pelo motor sobre o fuso

a que é acoplado, seja muito reduzido para movimentar de forma sincronizada as duas estruturas.

Para além disso, a carga exercida sobre o sistema de transmissão de movimento dos fusos com as

porcas é desprezável.


Monteiro, Carlos 66

8.5 Sistema de transmissão do movimento sincronizado das colunas do pórtico

No presente trabalho não foram selecionadas as guias lineares sobre as quais ocorre o movimento

sincronizado das colunas que compõem o pórtico. Também não foram selecionados os motores

elétricos que acionam o sistema de transmissão pinhão cremalheira. Isto verifica-se, uma vez que

este tópico não contempla os objetivos propostos para o presente trabalho, sendo um trabalho a

desenvolver no futuro.

8.6 Especificações técnicas do protótipo

As especificações técnicas referentes ao protótipo encontram-se especificadas na Tabela 30.

É evidente a ausência de algumas especificações, mais concretamente, as potências dos motores

elétricos necessárias para o movimento de translação das colunas do pórtico e do movimento das

estruturas das polias e o peso do protótipo. A seleção dos componentes em falta é proposto para

trabalhos a realizar no futuro com base no trabalho apresentado.

Tabela 30 - Especificações técnicas do protótipo

Potência do motor da polia motora 15.000 W

Potência do motor do fuso -

Potência dos motores da transmissão pinhão cremalheira -

Gama de velocidades lineares do fio diamantado [0 a 40] m/s

Velocidade de avanço de corte Controlada pelo controlador

Caudal de água [15 a 25] l/min

Pré-tensionamento do fio diamantado Controlado pelo controlador

Comprimento do fio diamantado 9400 mm

Altura mínima de corte referente à área de trabalho 20 mm

Altura máxima de corte referente à área de trabalho 400 mm

Dimensões da área de trabalho 2100 x 4500 mm

Peso do equipamento -


Monteiro, Carlos 67

8.7 Modelação do protótipo

Figura 65 – Perspetiva frontal do protótipo

Figura 66 – Perspetiva da retaguarda do protótipo


Monteiro, Carlos 69

9 TRABALHOS FUTUROS

Neste capítulo são enunciadas algumas propostas de trabalho a desenvolver, diretamente

relacionados com a tecnologia de corte de pedra por fio diamantado.

Seria pertinente prosseguir o desenvolvimento e construção do protótipo modelado, com o objetivo

de estudar detalhadamente o corte de pedra por fio diamantado. A programação do controlador do

protótipo é um trabalho a realizar no futuro, por parte dos alunos do mestrado de sistemas

mecatrónicos

O desenvolvimento e construção do protótipo tem como principal interesse a clarificação da

influência dos parâmetros de corte estudados pelos vários autores em análise no presente trabalho.

Seria também interessante estudar os parâmetros ou fatores intervenientes no corte não abordados

pelos autores, mas identificados como possivelmente relevantes no processo de corte. Exemplo

desses parâmetros é a verificação de valores reais de alguns parâmetros, sobre os quais não existe

qualquer informação, por parte dos fabricantes de equipamentos nem por parte dos autores com

bibliografia nesta área. Existe ainda a possibilidade de melhorar o protótipo modelado, com o

principal intuito de resolver possíveis problemas construtivos existentes nos equipamentos de corte

similares comercializados.

Relativamente às ferramentas de corte de pedra, é extremamente pertinente o estudo e

desenvolvimento de diferentes geometrias e configurações, conjugado com a contínua evolução

relativa à composição química e física da matriz metálica da pasta diamantada.

Uma outra análise interessante a realizar, devido à sua importância e beneficência que se pode

refletir no processo de corte, passa pelo estudo, aplicação e teste de diferentes materiais sobre a

superfície das polias.

Por fim, é proposta a análise sobre a capabilidade de adaptação do conceito base do processo de

corte de pedra por fio diamantado, para o corte de outros materiais, com especial interesse para a

madeira.


Monteiro, Carlos 71

10 CONCLUSÕES E CRÍTICAS AO TRABALHO DESENVOLVIDO NA ÁREA ATÉ À ATUALIDADE

Na generalidade das indústrias do setor industrial das rochas ornamentais em Portugal, verifica-se

um défice de organização e controlo da produção fabril aliado à carência de planos de manutenção

do parque de máquinas. Todavia, nos últimos anos, é notório o investimento na reformulação deste

setor, na implementação de estratégias e conceitos de organização e controlo da produção aliado

as estratégias de processamento de todos os resultantes do corte. Os operários que laboram neste

setor industrial são caraterizados na sua generalidade, pelas reduzidas habilitações literárias e pela

reduzida formação na operação dos diversos equipamentos, o que origina rotinas de trabalho

ineficazes e descuidadas.

Existe em Portugal uma indústria crescente de fabrico de equipamentos e ferramentas de corte de

pedra, desenvolvidos não só para apoiar a exploração e trabalho da pedra em Portugal, mas também

é dirigida a apoiar a exportação, em particular para o Brasil.

Foi identificado um défice sobre a influência da parametrização da técnica de corte de pedra por

fio diamantado, que deve ser colmatado pela realização de estudos a efetuar em condições

controladas. No entanto, esta premissa é baseada na bibliografia tratada neste trabalho, onde é

reconhecido um atraso considerável entre o trabalho científico publicado relativo à tecnologia de

corte de pedra por fio diamantado e o nível tecnológico presente nos equipamentos de corte de

pedra comercializados em diversas entidades.

Em suma, a tecnologia de corte de pedra por fio diamantado evidencia um enorme potencial

evolutivo, dada a sua intensa utilização em diversas operações fabris nas rochas ornamentais.

É importante realçar o trabalho científico publicado na conferência do CONEM no Brasil (Anexo

IV) e a preparação de outro artigo para outra conferência, mais concretamente o COBEM,

resultantes da presente dissertação. As publicações científicas mencionadas têm como principal

público-alvo o Brasil, pelas fortes ligações educativas e empresariais com Portugal.

Monteiro, Carlos 73

11 BIBLIOGRAFIA

[1] Calaes, G. D., 2009, "Evolução do Mercado Mineral Mundial a Longo Prazo", Relatório

Técnico, Ministério de Minas e Energia MME;

[2] Ribeiro, R. P., 2005,"Influência das características petrográficas de granitos no processo

industrial de desdobramento de blocos", Tese Doutoramento, Escola de Engenharia de São

Carlos da Universidade de São Paulo;

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Fio Diamantado no Norte do Estado do Espírito Santo, Brasil". Tese de Mestrado, Escola de

Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo;

[4] Jorge M. F. Carvalho. (2012). “ROCHAS ORNAMENTAIS PORTUGUESAS”. LNEG;

[5] Shane McCarthy. (2011). “DIAMOND WIRE CUTTING”. Tyrolit Industrial Equipment.

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[6] Diamant Boart , 2008, "Ferramentas diamantadas para a indústria da pedra", Catálogo;

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PLC + inversor de frequência”. Projeto de Graduação, Departamento de Engenharia Elétrica

do Centro Tecnológico da Universidade Federal do Espírito Santo;

[8] Menezes, R. G., "Tecnologias de lavra em maciços rochosos", Monografia, Departamento de

Geologia, Universidade Federam do Rio de Janeiro, 2005;

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systems”. Naval Sea sustems comand Washinton;

[10] Hardin, C. W. (2003). Fixed Abrasive Diamond Wire Saw Slicing of Single Crystal SiC

Wafers and Wood. (Master of Science), Graduate Faculty of North Carolina State University,

Raleigh;

[11] Cabral, S. C.; Oliveira, L.J.; Filgueira, M., 2011, “Estudo do melhor parâmetro de sinterização

do ferro (Fe) processado por prensagem a quente (metalurgia do pó)”. Grupo de Compósitos

e Ferramentas de Materiais de Alta Dureza, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e

Ciências dos Materiais, Universidade Estadual do Norte Fluminense;

[12] DE OLIVEIRA, L.J.; FILGUEIRA, M., 2008, “Pérolas diamantadas obtidas por metalurgia

do pó: Nacionalização da tecnologia”. Revista matéria, Universidade Estadual do Norte

Fluminense;

[13] Marcello Filgueira, Daltro Garcia Pinatti, 2006, ”Desenvolvimento de Uma Nova Rota de

Processamento de Ferramentas Diamantadas: Metalurgia do Pó e Forjamento Rotativo”.

Revista matéria, Universidade Estadual do Norte Fluminense;

[14] R. R. Thorat, P. K. Brahmankar and T. R. R. Mohan, 2004, “Consolidation behavior of Cu-

Co-Fe pre-alloyed powders”. ISRS, Indian Institute of Technology Madras;

[15] Anderson de Paula Barbosa, 2008, “Processamento via metalurgia do pó e caracterização das

ligas de Fe-Cu-Co para uso em ferramentas diamantadas”. Dissertação de mestrado,

Universidade Estadual do Norte Fluminense;

[16] HUANG Guoqin; XU Xipeng, 2013, “Sawing Performance Comparison of Brazed and

Sintered Diamond Wires”. Chinese Journal of Mechanical Engineering, Huaqiao University,

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[17] N. G. Zaripov, R. R. Kabirov and L. R. Kurmanaeva. (2006) “STRUCTURE AND

PROPERTIES OF DIAMOND-BEARING TOOL MATERIALS”. Metal Science and Heat

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Monteiro, Carlos 74

[18] W.I. Clark, A.J. Shih , C.W. Hardin, R.L. Lemaster , S.B. McSpadden. (2003).“Fixed abrasive

diamond wire machining—part I: process monitoring and wire tension force”. International

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[19] Informação técnica para uma boa utilização de ferramentas diamantadas”. Diamantcer,

(2014). Catálogo;

[20] Joseph Edward Shigley. (1986), “Mechanical Engineering Design” First metric editon.

McGraw-Hill;

[21] Victor Franco. (2011), “Estudo do corte por arranque de apara”. ESCOLA SUPERIOR

NÁUTICA INFANTE D. HENRIQUE, Lisboa;

[22] Sandro Turchetta; Wilma Polini; Giorgio Gelfusa; Enrico Venafro. (2014). “A New sawing

machine by Diamond wire”. Springer. Unisersità di Cassino;

[23] Douglas Bortolote Marcon; Carlos César Peiter; Nuria Fernández Castro, 2012, “Utilização

de fio diamantado na lavra de granitos comerciais”. PIBIC/CETEM;

[24] Y. Ozcelik; E. Yilmazkaya, 2010, “Performance analysis of a diamond bead in its lifetime by

using single bead test machine”. University of Hacettepe, Ankara, Turkey;

[25] Dr. S. C. Jain; Dr. S. S. Rathore; Dr. H.K. Jain, 2013, “Investigation the Effects Of Machine

Parameters On Cutting Performance Of Diamond Wire Saw Machine In Cutting Of Marble

Bench”. International Journal of Engineering Research & Technology, Índia;

[26] Erlon Cavazzana, 2005, “Modelo teórico de um fio diamantado para corte de mármore e

granito”. Projeto de Graduação, Universidade Federal do Espírito Santo;

[27] Atlascopco, 2014, http://www.atlascopco.pt/Images/SpeedCut_ac0047924_456.jpg,

consultado a 20/02/2014;

[28] InovStone. (2012). “Novas tecnologias para a competitividade da pedra natural”;

[29] Nigel Cross. 2000, “Engineering Design Methods: Strategies for Product Design”. 3rd

Edition, John Wiley & Sons LTD, Chichester;

[30] Richard Birmingham; Graham Cleland; Robert Driver; David Maffin. 1997, “Understanding

Engineering Design”. Prentice Hall;

[31] William Perkins Spence. 1988, “Engineering Graphics”. 2º Edição, Prentice Hall;

[32] Pahl, G; Beitz, W; Feldhusen, J; Grote, K.H. 2007 “Engineering Design: A Systematic

Approach”, Third Edition, Springer, London;

[33] Clébio Goulart Coimbra Filho. (2006). “Relação entre processo de corte e qualidade de

superfícies serradas de granitos ornamentais”. Dissertação de mestrado. Escola de Engenharia

de São Carlos da Universidade de São Paulo;

[34] Haik, Y; Shahin, T. 2010, “Engineering Design Process”, Cengage Learning, Second Edition,

USA;

[35] Professor Geomar, 2008, “Automação industrial”, Universidade Federal de Santa Maria;

[36] Pedro Guedes, 2011, “Metrologia industrial”, ETEP, Lisboa;

[37] Professor Luís Filipe Baptista, 2012, “Instrumentação e controlo”, Escola Nautica Infante

D.Henrique, Lisboa;

[38] Professor catedrático Carlos Branco, Professor António Miranda; (1986) “2º Curso de

aplicações de transmissões mecânicas”, Universidade do Minho;

[39] Ferdinand P.Beer; E Russul Johnston, Jr; John T. DeWolf; David F. Mazirek. (2011)

“Mecânica dos materiais”. 5º edição. McGraw-Hill;

1

ANEXO I

Tabela B - Influência dos parâmetros de corte na performance de corte no mármore macio (Fonte: [25])

Influência dos parâmetros de corte na

performance de corte no mármore macio

Nº do

ensaio

Velocidade

periférica do fio

diamantado

(m/s)

Tensão

aplicada ao

fio

diamantado

(N)

Área da

superfície

cortada

(𝑚2)

Tempo

de corte

(h)

Produtividade

de corte (𝑚2/h)

Desgaste das

pérolas

diamantadas

(μm/𝑚2)

1 27 850 438,48 93,07 4,71 1,05

2 28 850 441,17 93,89 4,70 1,07

3 29 850 445,76 88,03 5,06 1,08

4 30 850 457,19 99,97 4,57 1,09

5 27 930 443,27 98,82 4,49 1,06

6 28 930 461,52 85,07 5,43 1,08

7 29 930 452,67 82,54 5,48 1,09

8 30 930 437,58 83,16 5,26 1,1

9 27 1010 448,62 66,92 6,70 1,14

10 28 1010 444 64,94 6,84 1,17

11 29 1010 452,88 63,61 7,12 1,19

12 30 1010 451,96 67,06 6,74 1,2

Tabela A - Comparações técnicas entre o fio helicoidal e o fio diamantado para a exploração de mármore (Fonte: [3])

2

Tabela C - Influência dos parâmetros de corte na performance de corte no mármore com dureza média (Fonte: [25])


performance de corte no mármore com

dureza média

Nº do

ensaio

Velocidade

periférica do

fio

diamantado

(m/s)

Tensão

aplicada ao

fio

diamantado

(N)

Área da

superfície

cortada

(𝑚2)

Tempo

de corte

(h)

Produtividade

de corte (𝑚2/h)

Desgaste das

pérolas

diamantadas

(μm/𝑚2)

1 27 850 414,85 103,47 4,01 1,16

2 28 850 425,59 95,96 4,44 1,18

3 29 850 420,13 97,93 4,29 1,19

4 30 850 421,79 101,13 4,17 1,2

5 27 930 418,22 86,06 4,86 1,17

6 28 930 418,49 79,86 5,24 1,19

7 29 930 423,57 82,85 5,11 1,2

8 30 930 423,27 87,29 4,85 1,21

9 27 1010 409,6 63,31 6,47 1,25

10 28 1010 415,05 61,97 6,70 1,28

11 29 1010 418,53 63,85 6,55 1,29

12 30 1010 421,86 65,5 6,44 1,3

Tabela D - Influência dos parâmetros de corte na performance de corte no mármore com elevada dureza

(Fonte: [25])


performance de corte no mármore com

elevada dureza

Nº do

ensaio

Velocidade

periférica do

fio

diamantado

(m/s)

Tensão

aplicada ao

fio

diamantado

(N)

Área da

superfície

cortada

(𝑚2)

Tempo

de corte

(h)

Produtividade

de corte (𝑚2/h)

Desgaste das

pérolas

diamantadas

(μm/𝑚2)

1 27 850 363,03 94,69 3,83 1,27

2 28 850 365,48 84,72 4,31 1,29

3 29 850 368,1 88,1 4,18 1,3

4 30 850 375,03 94,53 3,97 1,31

5 27 930 372,45 89,88 4,14 1,29

6 28 930 363,43 80,47 4,52 1,32

7 29 930 368,16 85,67 4,30 1,33

8 30 930 372,49 88,51 4,21 1,34

9 27 1010 368,65 62,43 5,91 1,38

10 28 1010 369,69 59,47 6,22 1,41

11 29 1010 365,63 60,7 6,02 1,42

12 30 1010 363,8 61,11 5,95 1,43

3

ANEXO II

4

ANEXO III

5

ANEXO IV


Carlos F. F. Monteiro, [email protected]

João Mendonça Silva, [email protected]

António Caetano Monteiro, [email protected]

Universidade do Minho, Campus de Azurém, 4800-048 Guimarães, Portugal

Resumo: A área das rochas ornamentais e de revestimento constitui uma das mais promissoras no sector mineral,

com uma taxa média anual de crescimento da produção mundial superior a 6% ao ano, nos últimos 20 anos.

Constituem um produto com elevado interesse à escala mundial não só devido às suas propriedades naturais

(estéticas e estruturais) mas sobretudo pela diversidade de aplicações, que incluem a arquitetura e a construção

civil. Desenvolvimentos tecnológicos recentes do tratamento da pedra, desde a pedreira ao acabamento final, fazem

prever um elevado investimento em novos equipamentos e apontam para a necessidade de conduzir investigação

aplicável ao domínio. As tecnologias de corte, têm sido alvo de grande atenção principalmente por parte das várias

indústrias de exploração e transformação de rochas naturais. Parece evidente contudo existir necessidade de melhor

caracterização dos novos processos de corte, em particular do corte por fio diamantado. Esta técnica é caracterizada

por permitir uma grande diversidade de operações de corte que lhe confere elevada versatilidade, apresentando

elevadas taxa e velocidade de corte, permitindo a obtenção de uma espessura média de corte reduzida, com baixo

desperdício de matéria-prima e um traçado de corte muito regular de que resulta um excelente acabamento

superficial. Os equipamentos utilizados por esta tecnologia apresentam um reduzido custo de manutenção, permitem

realizar multicorte, e, por controlo numérico fica possibilitada a obtenção de geometrias tridimensionais, quer

diretamente por orientação da direção do fio de corte, quer pela utilização de cabeças de corte com ferramentas

convencionais. O corte por fio diamantado é conseguido por abrasão entre a pedra e a ferramenta, constituída por

de pérolas diamantadas montadas num cabo de aço, o qual é arrastado e orientado por meio de um sistema adequado

de polias. A abordagem desta tecnologia tem sido empírica, pelo que se justifica estudo sistematizado dos principais

parâmetros envolvidos, não só para melhorar as condições operacionais dos equipamentos em utilização mas

também para permitir o desenvolvimento de equipamentos mais eficazes, robustos e económicos. Este domínio

reveste-se de particular interesse no caso do Brasil, não só porque apresenta uma indústria extrativa em expansão,

mas também pela valorização do produto acabado alcançável pelo desenvolvimento tecnológico dos equipamentos

associados ao corte de pedra.

Palavras-chave: Corte de pedra, Fio diamantado, CNC

1. INTRODUÇÃO

As rochas ornamentais são um produto com elevado interesse devido às propriedades características à diversidade

de aplicações deste produto (Calaes, 2009 e Ribeiro, 2005). As aplicações das rochas ornamentais são consideradas

quase ilimitadas, e podem ser divididas em 4 grupos principais: arquitetura e construção (os grupos com maior

relevância), revestimento de elementos urbanos, arte e decoração. As técnicas de corte aplicadas na exploração de

rochas ornamentais provenientes de maciços rochosos requerem tecnologia também necessária posteriormente no

processamento dos blocos resultantes da fase de exploração. Assiste-se hoje à evolução das várias tecnologias de corte

de pedra existentes e ao desenvolvimento de outras, potenciada pelas possibilidades técnicas atuais. O corte de pedra

por fio diamantado, uma técnica recente, tem proliferado em diversos sectores industriais, principalmente na

construção civil e na exploração das rochas naturais. Esta tecnologia de corte apresenta uma elevada versatilidade de

operações de corte, é caracterizada por elevada velocidade de corte, consegue reduzir a espessura média de corte

permitindo assim reduzir o desperdício de pedra em comparação com outras tecnologias, e ainda um traçado de corte

muito regular aliado a um excelente acabamento superficial (Regadas, 2006). Contudo não se encontram bem

6

especificados os parâmetros de corte mais adequados para o corte dos diferentes tipos de pedra. Parece pois justificar-

se a realização de estudos sobre a tecnologia de corte de pedra por fio diamantado com o objetivo de desenvolver

melhoramentos, quer ao nível da ferramenta de corte, quer do controlo dos equipamentos ou ainda no desenvolvimento

de novos equipamentos de corte.

O presente trabalho inicia o estudo da tecnologia de corte por fio diamantado; aborda-se a caracterização dos

vários constituintes da ferramenta de corte, o fabrico de pérolas diamantadas, os parâmetros de corte associados a esta tecnologia de corte de pedra, a sua influência no processo de corte, e produz-se uma reflexão crítica sobre o tema. A

finalizar apresenta-se uma perspetiva dos trabalhos a realizar em continuação.

2. O FIO DIAMANTADO

O fio diamantado é constituído por um cabo de aço inoxidável, em que são inseridas pérolas diamantadas

regularmente espaçadas (Regadas, 2006, Gotardo, 2008). Este fio constitui a ferramenta de corte, cuja configuração é

definida tendo em atenção principalmente o tipo de rocha a cortar e a própria operação de corte a realizar. As pérolas

diamantadas são mantidas em posição por separadores adequados, sendo atualmente usadas atualmente três

configurações possíveis, constituídas por molas metálicas, revestimento de material plástico ou borracha, que são

apresentadas respetivamente nas figuras 1, 2 e 3. Estes sistemas de separação das pérolas diamantadas constituem

também um revestimento de proteção do cabo.

Figura 67. Fio Diamantado revestido com molas metálicas (Diamant Boart, 2008)

Figura 68. Fio Diamantado com revestimento em plástico (Diamant Boart, 2008)

Figura 69. Fio diamantado com revestimento em borracha (Diamant Boart, 2008)

As pérolas constituem o elemento cortante, cabendo ao cabo transmitir o esforço de tração responsável pelo

deslocamento das pérolas sobre a pedra, e, assim, realizando o corte por abrasão. Os elementos separadores permitem

acomodar pequenas diferenças de deslocamento das pérolas durante o corte, mas também funcionam como proteção

do cabo contra a abrasão provocada pelas partículas originadas no corte (resultantes do desgaste da pedra e das próprias

pérolas).

2.1. Fabrico das pérolas diamantadas

As pérolas diamantadas são constituídas por um suporte anelar em aço, revestido por pasta diamantada; esta pode

ser depositada sobre o suporte anelar pelos processos de electrólise ou sinterização. As pérolas diamantadas

sinterizadas (fig. 4) têm uma maior circulação comercial devido à sua maior durabilidade e aplicabilidade ao corte de

diferentes tipos de rocha, o que conduz a um custo operacional inferior comparativamente às perolas diamantadas

electrolíticas (Diamant Boart , 2008).

Figura 70. Pérolas Sinterizadas (Diamant

Boart, 2008)

Figura 71. Pérolas electrolíticas (Diamant

Boart, 2008)

7

As pérolas diamantadas electrolíticas (figura 5) são processadas por deposição galvânica, em que se utiliza como

eletrólito uma mistura de sais de níquel. O suporte anelar em aço é assim revestido por uma pasta metálica que contém

grãos de diamante embutidos, salientes sobre a sua superfície (Cabral et al., 2011).

Atualmente a maioria das ferramentas diamantadas é produzida pelo processo de sinterização. A sinterização por

compactação a quente é também o processo mais comum de fabrico de pérolas diamantadas (DE OLIVEIRA e

Filgueira, 2008 e Marcello Filgueira e Pinatti, 2006). Neste processo as partículas de diamante são ligadas à matriz

metálica por combinação de interações químicas e físicas. A concentração de partículas de diamante e o tipo de ligante

a ser usado na matriz metálica dependem fundamentalmente da natureza e abrasividade da rocha a ser cortada e da

produtividade de corte pretendida (Cabral et al., 2011 e R. R. Thorat et al., 2004). A concentração de partículas de

diamante varia entre 0,26 e 0,44 g de diamante por cm3 de volume do abrasivo (DE OLIVEIRA e Filgueira, 2008).

Os ligantes mais comuns presentes nas matrizes metálicas são o tungsténio, empregue em operações de corte em que

o material a cortar tenha uma dureza extremamente elevada, o cobalto, destinado ao corte de materiais com durezas

elevadas e são empregues ligas de cobalto-ferro, ferro-cobalto e ferro-bronze na matriz metálica com ligantes para o

corte de materiais macios (Marcello Filgueira, 2006). A principal função dos ligantes é reter as partículas de diamante

na matriz metálica, evitando a sua perda prematura e assim controlando o desgaste da matriz metálica.

As pérolas diamantadas sinterizadas assumem na actualidade o domínio da aplicação em todo o tipo de operações

de corte de pedra por fio diamantado. Contudo vem sendo evidenciada a necessidade de estudar a introdução de

diferentes elementos de liga como alternativa ao cobalto, dada a toxicidade deste elemento afectar o seu processamento

e também por apresentar grandes variações de preço de mercado (R. R. Thorat et al., 2004 Anderson Barbosa, 2008 e

HUANG Guoqin e XU Xipeng, 2013). Poderá também colocar-se a hipótese de desenvolver novas configurações das

pérolas diamantadas ou mesmo do conjunto que constitui a ferramenta de corte

2.2. Parametrização da operação de corte de pedra por fio diamantado

O desgaste das pérolas diamantadas sinterizadas não é linear. O mecanismo de desgaste deste tipo de pérolas

consiste no desbaste gradual da matriz metálica, que suporta os diamantes, para que estes aflorem e se tornem afiados.

À medida que os grãos de diamante são desgastados, novos grãos afloram devido ao desbaste da matriz metálica,

estabelecendo-se um ciclo (Douglas Marcon et al., 2012).

Segundo o mesmo autor a tecnologia de corte por fio diamantado é, na actualidade, a tecnologia de corte de pedra

mais difundida no mundo. O custo do fio diamantado representa 40% a 50% do total da operação de corte, sendo o

desgaste das pérolas diamantadas o principal factor económico a considerar na operação de corte. Neste sentido é de

extrema importância conciliar uma elevada produtividade com uma vida útil da ferramenta de corte satisfatória.

Consequentemente parece indispensável conhecer a influência dos parâmetros de corte intrínsecos desta tecnologia

de corte (Douglas Marcon et al., 2012 e Y. Ozcelik e E. Yilmazkaya, 2010). A operação de corte de pedra por fio

diamantado é afectada por parâmetros controlados e não controlados, que podem ser sistematizados como se apresenta

na tabela 1. Os parâmetros de corte controlados são relativos à parametrização da técnica de corte e a aspectos

operacionais, ao passo que os parâmetros de corte não controlados são relativos às propriedades das rochas a cortar

(Douglas Marcon et al., 2012 e Dr. S. C. Jain et al., 2013, 2010). Os parâmetros controlados são definidos na máquina

de corte principalmente em função das propriedades da rocha a cortar (Erlon Cavazzana, 2005).

Tabela 31 – Parâmetros de corte de pedra por fio diamantado (Douglas Marcon et al., 2012 eY.

Ozcelik e E. Yilmazkaya, 2010)

Parâmetros não controlados

relacionados com as

propriedades das rochas

Parâmetros controlados ou parcialmente controlados

Dureza

Abrasividade

Tensões

Descontinuidades

Grau de alteração

Propriedades mineralógicas

Características texturais

Propriedades do equipamento e

ferramenta de corte Operabilidade

Potência da máquina

Velocidade periférica

Tensão exercida no fio

diamantado

Caudal e pressão da água

Raio de curvatura do fio

diamantado em contacto com a

superfície de corte

Qualificação do operador

Direção de corte

Ângulos de ataque do fio

diamantado com o bloco

rochoso

Configuração do fio

diamantado

8

Os resultados do estudo efectuado por Dr. S. C. Jain et al., mostram do aumento da velocidade periférica e da

tensão do fio diamantado resulta um aumento do desgaste das pérolas diamantadas (figuras 6, 7 e 8).

Relativamente à produtividade de corte, não parece demonstrada uma relação directa provocada pela variação da

velocidade periférica e da tensão do fio diamantado parametrizados na operação de corte (figuras 9, 10 e 11). O

desgaste provocado nas pérolas diamantadas é directamente proporcional à dureza das rochas a cortar. Já a

produtividade de corte é inversamente proporcional à dureza das rochas a cortar (Dr. S. C. Jain et al., 2013). Todavia

nesse estudo teórico-experimental verifica-se a deficiência de caracterização de diversos parâmetros de corte

importantes, como as propriedades dos mármores a cortar, incluindo a granulometria, e o valor da dureza, ou as

características texturais, estabelecidos qualitativamente sem indicação de valores de referência quantitativos que

possam servir de base para estudos comparativos. Também não são indicados os parâmetros controláveis, como a

configuração da ferramenta de corte, a potência da máquina de corte, os ângulos de ataque da ferramenta de corte ao

bloco rochosa e ainda os valores da pressão ou caudal da água usados no corte.

Figura 72. Influência da velocidade periférica e da tracção sobre o fio diamantado no desgaste das pérolas

diamantadas no corte de mármores (Dr. S. C. Jain et al. 2013)

Figura 73. Influência da velocidade periférica e da tracção sobre o fio diamantado no desgaste das pérolas

diamantadas no corte de mármores (Dr. S. C. Jain et al. 2013)

0,0E+00

2,0E-07

4,0E-07

6,0E-07

8,0E-07

1,0E-06

1,2E-06

1,4E-06

26 27 28 29 30 31

Mármore_Macio

Mármore_dureza_

Média

Mármore_dureza_

elevada

Velocidade periférica ( ⁄𝐦 𝐬)

Des

gast

e d

as p

éro

las

dia

man

tad

as

(⁄

𝐦𝒎𝟐)

Tracção de 850 N aplicada ao fio diamantado

0,0E+00

2,0E-07

4,0E-07

6,0E-07

8,0E-07

1,0E-06

1,2E-06

1,4E-06

1,6E-06

26 27 28 29 30 31

Mármore_Macio

Mármore_dureza_

MédiaMármore_dureza_

elevada

Velocidade periférica ( ⁄𝐦 𝐬)Des

gast

e d

as p

éro

las

dia

man

tad

as

(⁄

𝐦𝒎𝟐)


9

Figura 74. Influência da velocidade periférica e da tracção sobre o fio diamantado no desgaste das

pérolas diamantadas no corte de mármores (Dr. S. C. Jain et al. 2013)

Figura 75. Influência da velocidade periférica e da tração sobre fio o fio diamantado na produtividade da

operação de corte de mármores (Dr. S. C. Jain et al. 2013)

Figura 76. Influência da velocidade periférica e da tração sobre fio o diamantado na produtividade da


0,0E+00

2,0E-07

4,0E-07

6,0E-07

8,0E-07

1,0E-06

1,2E-06

1,4E-06

1,6E-06

26 27 28 29 30 31

Mármore_Macio

Mármore_dureza_

Média

Mármore_dureza_

elevada

Velocidade periférica ( ⁄𝐦 𝐬)

Des

gast

e d

as p

éro

las

dia

man

tad

as

(⁄

𝐦𝒎𝟐)


10

Figura 77. Influência da velocidade periférica e da tração sobre fio o diamantado na produtividade da


Segundo Douglas Marcon et al., a posição de corte é um dos parâmetros operacionais que

mais afeta a produtividade de corte. De acordo com o autor é notória uma menor produtividade

nos cortes horizontais (fig. 12) relativamente aos cortes verticais (fig. 13). Este facto é justificado

pela acumulação excessiva de lamas resultantes da operação de corte na superfície de corte,

originando um esforço superior do motor principal da máquina de corte, para a manutenção da

velocidade periférica da ferramenta de corte. O fenómeno descrito não é tão importante nos cortes

verticais, pois, devido à força da gravidade, as lamas não se acumulam na superfície de corte. A

acumulação excessiva de água na superfície de corte contribui também para a diminuição da

produtividade de corte, pois provoca o efeito de aquaplanagem [13]. Contudo este estudo, como

no estudo de Jain et al. anteriormente referido, também carece de adequada caracterização

quantitativa relativamente a vários parâmetros de corte, para estabelecer claramente a sua

influência relativa na operação de corte de pedra e permitir a realização de trabalhos de verificação

que confirmem ou infirmem os resultados apresentados.

Figura 78. Corte horizontal do maciço rochoso

(Regadas, I. C. M. C., 2006)

Figura 79. Corte vertical do maciço rochoso

(Regadas, I. C. M. C., 2006)

Erlon Cavazzana concluiu no seu estudo que, quanto maior a superfície de contacto das pérolas diamantadas com

a superfície rochosa, maior será a produtividade de corte (figs. 12 e 13e 14) [16]. Todavia existe um equilíbrio entre

o comprimento máximo interessado no corte (em contacto com a superfície rochosa) e a potência máxima útil do

equipamento de corte, pois, devido ao excesso de tensão exercida na ferramenta de corte, pode ocorrer a sua rotura.

O fenómeno descrito é recorrente nos equipamentos de corte monofio, em que o comprimento do contacto da

ferramenta de corte com a superfície rochosa varia durante a operação de corte.

11

Figura 80. Representação do movimento do equipamento de corte em relação ao maciço rochoso

(atlascopco, 2014)

2.3. Trabalhos em curso

A informação recolhida e tratada no presente trabalho despoletou o interesse pelo estudo da tecnologia de corte

de pedra. Existe em Portugal uma indústria crescente de fabrico de equipamentos e ferramentas de corte de pedra,

desenvolvidos não só para apoiar de exploração e trabalho em pedra, mas também e dirigida à exportação em particular

para a indústria extractiva Brasileira. O estudo empreendido sobre a tecnologia de corte de pedra por fio diamantado

juntamente com a percepção do potencial de mercado das rochas ornamentais, aliado ao reconhecimento das vantagens

de endogeneizar os conhecimentos de construção de máquinas ferramenta, conduziu ao estabelecimento de um plano

de desenvolvimento de equipamentos de de corte de pedra. Este plano pretende não só sustentar o desenvolvimento

crescente deste sector industrial, mas também possibilitar a realização de estudos de parametrização da operação de

corte de pedra por fio diamantado.

12

3. CONCLUSÃO

Foi identificado um défice de conhecimento da influência da parametrização na técnica de corte de pedra por fio

diamantado, que deve ser colmatado pela realização de estudos a efectuar em condições controladas.

Foi lançado o projecto e a construção de um equipamento laboratorial de corte de pedra, especificamente destinado

a realizar estudos teórico-experimentais da parametrização desta técnica de corte de pedra.

Julga-se indispensável a identificação e quantificação pormenorizada dos parâmetros de corte de pedra por fio

diamantado para estabelecer as melhores condições operacionais aplicáveis a cada caso em que esta tecnologia é

aplicada.

4. REFERÊNCIAS

[1] Calaes, G. D., 2009, "Evolução do Mercado Mineral Mundial a Longo Prazo", Relatório Técnico, Ministério de

Minas e Energia MME.

[2] Ribeiro, R. P., 2005,"Influência das características petrográficas de granitos no processo industrial de

desdobramento de blocos", Tese Doutoramento, Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São

Paulo.

[3] Regadas, I. C. M. C., 2006, "Aspectos Relacionados às Lavras de Granitos Ornamentais com Fio Diamantado no

Norte do Estado do Espírito Santo, Brasil". Tese de Mestrado, Escola de Engenharia de São Carlos da

Universidade de São Paulo

[4] Gotardo, L. B., 2008, "Proposta de sistema de controle para máquina de fio diamantado com PLC + inversor de

frequência”. Projeto de Graduação, Departamento de Engenharia Elétrica do Centro Tecnológico da Universidade

Federal do Espírito Santo.

[5] Diamant Boart , 2008, "Ferramentas diamantadas para a indústria da pedra", Catálogo.

[6] Brunno Muniz Costa, 2009, “Avaliação qualitativa das metodologias de lavra utilizadas na extracção das rochas

ornamentais no município de Santo Antônio de Pádua”. Universidade Federal rural do Rio de Janeiro.

[7] Cabral, S. C.; Oliveira, L.J.; Filgueira, M., 2011, “Estudo do melhor parâmetro de sinterização do ferro (Fe)

processado por prensagem a quente (metalurgia do pó)”. Grupo de Compósitos e Ferramentas de Materiais de

Alta Dureza, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciências dos Materiais, Universidade Estadual do

Norte Fluminense.

[8] DE OLIVEIRA, L.J.; FILGUEIRA, M., 2008, “Pérolas diamantadas obtidas por metalurgia do pó: Nacionalização

da tecnologia”. Revista matéria, Universidade Estadual do Norte Fluminense.

[9] Marcello Filgueira, Daltro Garcia Pinatti, 2006, ”Desenvolvimento de Uma Nova Rota de Processamento de

Ferramentas Diamantadas: Metalurgia do Pó e Forjamento Rotativo”. Revista matéria, Universidade Estadual do

Norte Fluminense.

[10] R. R. Thorat, P. K. Brahmankar and T. R. R. Mohan, 2004, “Consolidation behavior of Cu-Co-Fe pre-alloyed

powders”. ISRS, Indian Institute of Technology Madras.

[11] Anderson de Paula Barbosa, 2008, “Processamento via metalurgia do pó e caracterização das ligas de Fe-Cu-Co

para uso em ferramentas diamantadas”. Dissertação de mestrado, Universidade Estadual do Norte Fluminense.

[12] HUANG Guoqin; XU Xipeng, 2013, “Sawing Performance Comparison of Brazed and Sintered Diamond

Wires”. Chinese Journal of Mechanical Engineering, Huaqiao University, China.

[13] Douglas Bortolote Marcon; Carlos César Peiter; Nuria Fernández Castro, 2012, “Utilização de fio diamantado na

lavra de granitos comerciais”. PIBIC/CETEM.

[14] Y. Ozcelik; E. Yilmazkaya, 2010, “Performance analysis of a diamond bead in its lifetime by using single bead

test machine”. University of Hacettepe, Ankara, Turkey.

[15] Dr. S. C. Jain; Dr. S. S. Rathore; Dr. H.K. Jain, 2013, “Investigation The Effects Of Machine Parameters On

Cutting Performance Of Diamond Wire Saw Machine In Cutting Of Marble Bench”. International Journal of

Engineering Research & Technology, Índia.

[16] Erlon Cavazzana, 2005, “Modelo teórico de um fio diamantado para corte de mármore e granito”. Projeto de

Graduação, Universidade Federal do Espírito Santo.

[17] atlascopco, 2014, http://www.atlascopco.pt/Images/SpeedCut_ac0047924_456.jpg, consultado a 20/02/2014

5. RESPONSABILIDADE AUTORAL

“Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo deste trabalho”.

13

DIAMOND WIRE STONE CUTTING

Carlos F. F. Monteiro, [email protected]

João Mendonça Silva, [email protected]

António Caetano Monteiro, [email protected]

Abstract. The area of ornamental rocks and coating is one of the most promising in the mineral sector, with an

average annual growth rate of over 6% per year over the last 20 years. Rocks are a product highly interesting not

only because of its natural properties (either structural and aesthetic) but rather by the diversity of the applications,

including architecture and construction. Recent technological developments in stone treatment from the quarry to

the final finished product, do provide high investment in new equipment and point to the necessity of developing

further research. Cutting technologies have attracted a lot of attention especially from the industries of natural rocks

exploitation and processing. It seems clear however there is a need to better characterize the new cutting processes,

in particular diamond wire cutting technology. The technique is characterized by allowing a wide range of cutting

conditions, what allows great versatility, high rate and speed cutting operations, so allowing to obtain a mean

reduced section thickness, with low waste of raw materials and a very regular cut path also offering excellent surface

finishing. The equipment used in this technology have reduced maintenance costs, allowing to perform multi slice,

and by using numerical control obtaining three-dimensional geometries is made possible, either directly by

orientation the direction of the cutting wire or by the use of tools with conventional cutting heads. The diamond wire

cutting is done by abrasion between the stone and the tool, consisting of diamond beads mounted on a steel cable,

which is dragged through a proper system of pulleys. The approach of this technology has been empirical, which

justifies a systematic study of the main parameters involved, not only to improve the operating conditions of the

equipment in use but also to allow the development of more efficient, robust and economical equipment. This area is

of particular interest in the case of Brazil, not only because it presents an extractive industry expansion, but also the

appreciation of the finished product achievable by technological development of equipment associated with stone

cutting. Keywords: Stone cutting, diamond wire, CNC machines

carlos filipe fernandes monteiro - repositorium.sdum.uminho.pt · corte de pedra por fio diamantado...

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