Peças intercambiáveis ​​- Interchangeable parts

Partes intercambiáveis são peças ( componentes ) que são, para fins práticos, idênticos. Eles são feitos de acordo com especificações que garantem que sejam quase idênticos a ponto de se encaixarem em qualquer montagem do mesmo tipo. Uma dessas peças pode substituir livremente a outra, sem qualquer encaixe personalizado, como lima . Essa intercambialidade permite fácil montagem de novos dispositivos e fácil reparo de dispositivos existentes, ao mesmo tempo que minimiza o tempo e a habilidade necessária da pessoa que faz a montagem ou o reparo.

O conceito de intercambiabilidade foi crucial para a introdução da linha de montagem no início do século 20 e se tornou um elemento importante de algumas manufaturas modernas, mas está ausente em outras indústrias importantes.

A intercambialidade de peças foi alcançada pela combinação de uma série de inovações e melhorias nas operações de usinagem e a invenção de várias máquinas-ferramentas , como o torno de descanso deslizante , torno de rosqueamento , torno revólver , fresadora e aplainadora de metal . Inovações adicionais incluem gabaritos para guiar as ferramentas da máquina, acessórios para segurar a peça de trabalho na posição adequada e blocos e medidores para verificar a precisão das peças acabadas. A eletrificação permitiu que máquinas-ferramentas individuais fossem acionadas por motores elétricos, eliminando acionamentos de eixo de linha de motores a vapor ou hidráulicos e permitindo velocidades mais altas, tornando possível a fabricação moderna em larga escala. As máquinas-ferramentas modernas costumam ter controle numérico (NC), que evoluiu para CNC (controle numérico computadorizado) quando os microprocessadores se tornaram disponíveis.

Os métodos de produção industrial de peças intercambiáveis ​​nos Estados Unidos foram desenvolvidos pela primeira vez no século XIX. O termo sistema americano de manufatura foi algumas vezes aplicado a eles na época, em distinção dos métodos anteriores. Dentro de algumas décadas, esses métodos estavam em uso em vários países, de modo que o sistema americano é agora um termo de referência histórica, em vez da nomenclatura industrial atual.

Primeiro uso

As evidências do uso de peças intercambiáveis ​​podem ser encontradas há mais de dois mil anos em Cartago, na Primeira Guerra Púnica . Os navios cartagineses tinham peças padronizadas e intercambiáveis ​​que até vinham com instruções de montagem semelhantes à "guia A na fenda B" marcadas nelas.

No Leste Asiático , durante o período dos Reinos Combatentes e mais tarde na Dinastia Qin , gatilhos de besta de bronze e mecanismos de travamento foram produzidos em massa e feitos para serem intercambiáveis.

Origens do conceito moderno

No final do século 18, o general francês Jean-Baptiste Vaquette de Gribeauval promoveu armas padronizadas no que ficou conhecido como Système Gribeauval depois que foi emitido como uma ordem real em 1765. (Seu foco na época era mais artilharia do que mosquetes ou revólveres . ) Uma das conquistas do sistema era que os canhões fundidos sólidos eram perfurados com tolerâncias precisas, o que permitia que as paredes fossem mais finas do que os canhões vazados. No entanto, como os núcleos costumavam ficar fora do centro, a espessura da parede determinava o tamanho do furo. A perfuração padronizada permitiu que os canhões fossem mais curtos sem sacrificar a precisão e o alcance por causa do ajuste mais apertado das cápsulas . Também permitiu a padronização das conchas.

Antes do século 18, dispositivos como armas de fogo eram feitos um de cada vez por armeiros de uma maneira única. Se um único componente de uma arma de fogo precisava ser substituído, a arma inteira tinha que ser enviada a um armeiro especialista para reparos personalizados ou descartada e substituída por outra arma de fogo. Durante os séculos 18 e 19, a ideia de substituir esses métodos por um sistema de manufatura intercambiável foi gradualmente desenvolvida. O desenvolvimento levou décadas e envolveu muitas pessoas.

Gribeauval forneceu patrocínio a Honoré Blanc , que tentou implementar o Système Gribeauval a nível de mosquete. Por volta de 1778, Honoré Blanc começou a produzir algumas das primeiras armas de fogo com fechaduras de sílex intercambiáveis, embora fossem cuidadosamente feitas por artesãos. Blanc demonstrou diante de um comitê de cientistas que seus mosquetes podiam ser equipados com fechaduras de sílex escolhidas ao acaso em uma pilha de peças.

Mosquetes com fechaduras intercambiáveis ​​chamaram a atenção de Thomas Jefferson por meio dos esforços de Honoré Blanc quando Jefferson foi embaixador na França em 1785. Jefferson tentou persuadir Blanc a se mudar para a América, mas não teve sucesso, então ele escreveu ao secretário de guerra americano com a ideia, e quando voltou aos EUA trabalhou para financiar seu desenvolvimento. O presidente George Washington aprovou a ideia e, em 1798, um contrato foi emitido para Eli Whitney para 12.000 mosquetes construídos sob o novo sistema.

Louis de Tousard , que fugiu da Revolução Francesa, juntou-se ao Corpo de Artilheiros dos Estados Unidos em 1795 e escreveu um manual de artilheiro influente que enfatizou a importância da padronização.

Implementação

Vários inventores começaram a tentar implementar o princípio descrito por Blanc. O desenvolvimento das máquinas-ferramenta e das práticas de fabricação exigidas seria uma grande despesa para o Departamento de Artilharia dos Estados Unidos e, por alguns anos, ao tentar obter a intercambialidade, as armas de fogo produzidas custavam mais para fabricar. Em 1853, havia evidências de que as peças intercambiáveis, então aperfeiçoadas pelos Arsenais Federais, geravam economia. O Departamento de Artilharia compartilhou livremente as técnicas usadas com fornecedores externos.

Eli Whitney e uma primeira tentativa

Nos Estados Unidos, Eli Whitney viu o benefício potencial de desenvolver "peças intercambiáveis" para as armas de fogo dos militares dos Estados Unidos. Em julho de 1801, ele construiu dez armas, todas contendo as mesmas peças e mecanismos exatos, depois os desmontou antes do Congresso dos Estados Unidos . Ele colocou as peças em uma pilha mista e, com ajuda, remontou todas as armas de fogo na frente do Congresso, da mesma forma que Blanc havia feito alguns anos antes.

O Congresso ficou cativado e ordenou um padrão para todos os equipamentos dos Estados Unidos. O uso de peças intercambiáveis ​​eliminou os problemas de épocas anteriores quanto à dificuldade ou impossibilidade de produzir peças novas para equipamentos antigos. Se uma parte da arma de fogo falhasse, outra poderia ser encomendada e a arma de fogo não precisaria ser descartada. O problema era que as armas de Whitney eram caras e feitas à mão por trabalhadores qualificados.

Charles Fitch creditou a Whitney a execução bem-sucedida de um contrato de armas de fogo com peças intercambiáveis ​​usando o Sistema Americano , mas os historiadores Merritt Roe Smith e Robert B. Gordon determinaram que Whitney nunca chegou a fabricar peças intercambiáveis. A empresa de armas de sua família, no entanto, o fez após sua morte.

Blocos de navegação de Brunel

Um bloco de polia para cordame em um navio à vela

A produção em massa usando peças intercambiáveis ​​foi realizada pela primeira vez em 1803 por Marc Isambard Brunel em cooperação com Henry Maudslay e Simon Goodrich, sob a gestão do (e com contribuições do) Brigadeiro-General Sir Samuel Bentham , o Inspetor Geral de Obras Navais em Portsmouth Block Mills , Portsmouth Dockyard , Hampshire , Inglaterra. Na época, a Guerra Napoleônica estava no auge e a Marinha Real estava em um estado de expansão que exigia 100.000 blocos de polia para serem fabricados por ano. Bentham já havia alcançado notável eficiência nas docas, introduzindo maquinário motorizado e reorganizando o sistema do estaleiro.

Marc Brunel, um engenheiro pioneiro, e Maudslay, um fundador da tecnologia de máquinas-ferramenta que desenvolveu o primeiro torno de corte de parafuso industrialmente prático em 1800, que padronizou tamanhos de rosca de parafuso pela primeira vez, colaboraram em planos para fabricar máquinas de fazer blocos; a proposta foi submetida ao Almirantado, que concordou em contratar seus serviços. Em 1805, o estaleiro foi totalmente atualizado com o revolucionário maquinário feito sob medida, em uma época em que os produtos ainda eram fabricados individualmente com componentes diferentes. Foram necessárias 45 máquinas para realizar 22 processos nos blocos, que poderiam ser feitos em três tamanhos diferentes. As máquinas eram quase inteiramente feitas de metal, melhorando assim sua precisão e durabilidade. As máquinas fariam marcações e indentações nos blocos para garantir o alinhamento ao longo do processo. Uma das muitas vantagens deste novo método era o aumento da produtividade do trabalho devido aos requisitos menos intensivos de mão-de-obra para gerir as máquinas. Richard Beamish, assistente do filho e engenheiro de Brunel , Isambard Kingdom Brunel , escreveu:

Para que dez homens, com a ajuda desta maquinaria, possam realizar com uniformidade, rapidez e facilidade, o que antes exigia o trabalho incerto de cento e dez.

Em 1808, a produção anual atingiu 130.000 blocos e alguns dos equipamentos ainda estavam em operação em meados do século XX.

Relógios de Terry: sucesso em madeira

Uma engrenagem de madeira de um dos relógios de caixa altos de Terry, mostrando o uso de dentes fresados.

Eli Terry já usava peças intercambiáveis ​​em uma fresadora em 1800. Ward Francillon, um horologista concluiu em um estudo que Terry já havia realizado peças intercambiáveis ​​em 1800. O estudo examinou vários relógios de Terry produzidos entre 1800-1807. As peças foram etiquetadas e trocadas conforme necessário. O estudo concluiu que todas as peças do relógio eram intercambiáveis. A primeira produção em massa usando peças intercambiáveis ​​na América foi o Contrato Porter de 1806 de Eli Terry , que previa a produção de 4.000 relógios em três anos. Durante este contrato, Terry elaborou quatro mil movimentos de caixa alta de engrenagem de madeira, em uma época em que a média anual era de cerca de uma dúzia. Ao contrário de Eli Whitney , Terry fabricava seus produtos sem financiamento do governo. Terry viu o potencial dos relógios se tornando um objeto doméstico. Com o uso de uma fresadora, Terry foi capaz de produzir em massa rodas de relógio e placas algumas dezenas ao mesmo tempo. Gabaritos e gabaritos eram usados ​​para fazer pinhões uniformes, de modo que todas as peças pudessem ser montadas em uma linha de montagem .

North and Hall: sucesso no metal

O passo crucial para a intercambialidade em peças de metal foi dado por Simeon North , trabalhando a apenas alguns quilômetros de Eli Terry . North criou uma das primeiras verdadeiras fresadoras do mundo para fazer a modelagem de metal feita à mão com uma lima. Diana Muir acredita que a fresadora de North estava online por volta de 1816. Muir, Merritt Roe Smith e Robert B. Gordon concordam que antes de 1832 Simeon North e John Hall eram capazes de produzir em massa máquinas complexas com peças móveis (armas) usando um sistema que envolvia o uso de peças forjadas em bruto, com uma fresadora que fresava as peças até o tamanho quase correto e que eram então "limadas para calibrar manualmente com o auxílio de gabaritos de lixamento".

Os historiadores divergem sobre a questão de se Hall ou North fizeram a melhoria crucial. Merrit Roe Smith acredita que foi feito por Hall. Muir demonstra os estreitos laços pessoais e alianças profissionais entre Simeon North e mecânicos vizinhos que produzem relógios de madeira em massa para argumentar que o processo de fabricação de armas com peças intercambiáveis ​​foi mais provavelmente concebido por North emulação dos métodos de sucesso usados ​​na produção em massa de relógios. Pode não ser possível resolver a questão com certeza absoluta, a menos que documentos agora desconhecidos apareçam no futuro.

Final do século 19 e início do século 20: disseminação na manufatura

Engenheiros e maquinistas qualificados, muitos com experiência em arsenais, espalharam técnicas de manufatura intercambiáveis ​​para outras indústrias americanas, incluindo relojoeiros e fabricantes de máquinas de costura Wilcox e Gibbs e Wheeler e Wilson, que usavam peças intercambiáveis ​​antes de 1860. Tardiamente para adotar o sistema intercambiável foram as máquinas de costura da Singer Corporation (1870), o fabricante de ceifeiras McCormick Harvesting Machine Company (1870 a 1880) e vários grandes fabricantes de motores a vapor, como Corliss (meados da década de 1880), bem como fabricantes de locomotivas. As máquinas de escrever surgiram alguns anos depois. Então, a produção em grande escala de bicicletas na década de 1880 começou a usar o sistema intercambiável.

Durante essas décadas, a verdadeira intercambialidade cresceu de uma realização escassa e difícil para uma capacidade diária em todas as indústrias de manufatura. Nas décadas de 1950 e 1960, os historiadores da tecnologia ampliaram a compreensão mundial da história do desenvolvimento. Poucas pessoas fora dessa disciplina acadêmica sabiam muito sobre o assunto até recentemente, nas décadas de 1980 e 1990, quando o conhecimento acadêmico começou a alcançar públicos mais amplos. Ainda na década de 1960, quando Alfred P. Sloan publicou seu famoso livro de memórias e tratado de gestão, My Years with General Motors , até mesmo o presidente de longa data e presidente da maior empresa de manufatura que já existiu sabia muito pouco sobre a história do desenvolvimento, além de dizer isso

[ Henry M. Leland foi], creio eu, um dos principais responsáveis ​​por trazer a técnica de peças intercambiáveis ​​para a fabricação de automóveis. [...] Chamou-me a atenção que Eli Whitney, muito antes, havia iniciado o desenvolvimento de peças intercambiáveis ​​para a fabricação de armas, fato que sugere uma linha de descendência de Whitney a Leland até a indústria automobilística.

Um dos livros mais conhecidos sobre o assunto, que foi publicado pela primeira vez em 1984 e tem desfrutado de um público além da academia, foi David A. Hounshell é a partir do Sistema americano a produção em massa, 1800-1932: O desenvolvimento da tecnologia de fabricação nos Estados Unidos .

Contexto socioeconômico

O princípio das peças intercambiáveis ​​floresceu e se desenvolveu ao longo do século 19, e levou à produção em massa em muitas indústrias. Foi baseado no uso de gabaritos e outros gabaritos e acessórios , aplicados por mão de obra semiqualificada usando máquinas-ferramenta para aumentar (e depois substituir em grande parte) as ferramentas manuais tradicionais . Ao longo deste século, houve muito trabalho de desenvolvimento a ser feito na criação de medidores , ferramentas de medição (como calibradores e micrômetros ), padrões (como aqueles para roscas de parafuso ) e processos (como gestão científica ), mas o princípio da intercambialidade permaneceu constante. Com a introdução da linha de montagem no início do século 20, as peças intercambiáveis ​​se tornaram elementos onipresentes da manufatura.

Montagem seletiva

A intercambiabilidade depende das dimensões das peças dentro da faixa de tolerância. O modo mais comum de montagem é projetar e fabricar de forma que, desde que cada peça que alcance a montagem esteja dentro da tolerância, o acoplamento das peças pode ser totalmente aleatório. Isso tem valor por todas as razões já discutidas anteriormente.

Existe outro modo de montagem, denominado "montagem seletiva", que abre mão de parte da capacidade de aleatoriedade na troca por outro valor . Existem duas áreas principais de aplicação que se beneficiam economicamente da montagem seletiva: quando as faixas de tolerância são tão estreitas que não podem ser mantidas de maneira confiável (tornando a aleatoriedade total indisponível); e quando as faixas de tolerância podem ser seguradas de forma confiável, mas o ajuste e o acabamento da montagem final estão sendo maximizados ao abrir mão voluntariamente de parte da aleatoriedade (o que a torna disponível, mas não idealmente desejável). Em ambos os casos, o princípio da montagem seletiva é o mesmo: as peças são selecionadas para o acasalamento, em vez de serem acasaladas aleatoriamente. À medida que as peças são inspecionadas , elas são classificadas em compartimentos separados com base na extremidade do intervalo em que se enquadram (ou violam). Cair dentro do limite superior ou inferior de uma faixa é geralmente chamado de pesado ou leve ; violar o limite superior ou inferior de uma faixa é normalmente chamado de tamanho maior ou menor . Exemplos são fornecidos abaixo.

French e Vierck fornecem uma descrição de um parágrafo da montagem seletiva que resume apropriadamente o conceito.

Alguém poderia perguntar, se as peças devem ser selecionadas para o acasalamento, então o que torna a montagem seletiva diferente dos métodos artesanais mais antigos? Mas existe de fato uma diferença significativa. A montagem seletiva simplesmente classifica as peças em vários intervalos ; dentro de cada intervalo, ainda há intercambialidade aleatória. Isso é bastante diferente do método antigo de encaixe por um artesão, onde cada conjunto de peças combinadas é especificamente arquivado para encaixar cada peça com uma contraparte específica e única .

Montagem aleatória não disponível: peças de tamanho grande e pequeno

Em contextos onde a aplicação requer faixas de tolerância extremamente apertadas (estreitas), o requisito pode ultrapassar ligeiramente o limite da capacidade da usinagem e outros processos (estampagem, laminação, dobra, etc.) para permanecer dentro da faixa. Nesses casos, a montagem seletiva é usada para compensar a falta de intercambialidade total entre as peças. Assim, para um pino que deve ter um ajuste deslizante em seu orifício (livre, mas não desleixado), a dimensão pode ser especificada como 12,00 +0 −0,01 mm para o pino e 12,00 +,01 −0 para o orifício. Pinos que ficaram superdimensionados (digamos, um pino com 12,003 mm de diâmetro) não são necessariamente sucatas , mas só podem ser combinados com contrapartes que também ficaram superdimensionadas (digamos, um furo com 12,013 mm). O mesmo é verdadeiro para, em seguida, correspondentes sob peças de tamanho com sob homólogos de tamanho. Inerente neste exemplo é que para a aplicação deste produto, a dimensão de 12 mm não requer extrema precisão , mas o ajuste desejado entre as peças requer boa precisão (consulte o artigo sobre exatidão e precisão ). Isso permite que os fabricantes "trapaceiem um pouco" na intercambialidade total para obter mais valor do esforço de fabricação, reduzindo a taxa de rejeição (taxa de refugo). Esta é uma decisão sensata de engenharia, contanto que o aplicativo e o contexto a suportem. Por exemplo, para máquinas para as quais não há intenção de qualquer serviço de campo futuro de natureza de substituição de peças (mas apenas a simples substituição de toda a unidade), isso faz sentido do ponto de vista econômico. Isso reduz o custo unitário dos produtos e não impede o trabalho de serviço futuro.

Um exemplo de produto que pode se beneficiar dessa abordagem pode ser uma transmissão de carro, onde não há expectativa de que o técnico de serviço conserte a transmissão antiga; em vez disso, ele simplesmente trocará por um novo. Portanto, a intercambiabilidade total não era absolutamente necessária para os conjuntos dentro das transmissões. Ele teria sido especificado de qualquer maneira, simplesmente no princípio geral, exceto por um certo eixo que exigia uma precisão tão alta a ponto de causar grande incômodo e altas taxas de refugo na área de moagem, mas para o qual apenas uma precisão decente era necessária, desde que o ajuste com seu buraco era bom em todos os casos. O dinheiro pode ser economizado salvando muitos poços da lata de sucata.

Realidades econômicas e comerciais

Exemplos como o acima não são tão comuns no comércio real como poderiam ser, principalmente por causa da separação de interesses , onde cada parte de um sistema complexo deve fornecer um desempenho que não faz quaisquer suposições limitantes sobre outras partes do sistema . No exemplo da transmissão do carro, a separação de preocupações é que as empresas individuais e os clientes não aceitam falta de liberdade ou opções de outros na cadeia de abastecimento. Por exemplo, na visão do comprador de um carro, o fabricante do carro "não tem o direito" de presumir que nenhum mecânico de serviço de campo jamais consertará a transmissão antiga em vez de substituí-la. O cliente espera que essa decisão seja preservada para ele tomar mais tarde, na oficina, com base na opção que for mais barata para ele naquele momento (imaginando que substituir um eixo é mais barato do que substituir uma transmissão inteira). Essa lógica nem sempre é válida na realidade; poderia ter sido melhor para o custo total de propriedade do cliente pagar um preço inicial mais baixo pelo carro (especialmente se o serviço de transmissão estiver coberto pela garantia padrão por 10 anos, e o comprador pretende substituir o carro antes disso de qualquer maneira) do que pague um preço inicial mais alto pelo carro, mas preserve a opção de intercambialidade total de cada porca, parafuso e eixo em todo o carro (quando não vai ser aproveitado de qualquer maneira). Mas o comércio é geralmente caoticamente multivariado para que essa lógica prevaleça, então a intercambialidade total acaba sendo especificada e alcançada mesmo quando adiciona despesas que eram "desnecessárias" de uma visão holística do sistema comercial. Mas isso pode ser evitado na medida em que os clientes experimentam o valor geral (que suas mentes podem detectar e apreciar) sem ter que entender sua análise lógica. Assim, os compradores de um carro incrivelmente acessível (preço inicial surpreendentemente baixo) provavelmente nunca reclamarão que a transmissão não pôde ser reparada em campo, desde que eles próprios nunca tenham que pagar pelo serviço de transmissão durante a vida útil de sua propriedade. Esta análise pode ser importante para o fabricante entender (mesmo que seja perdida pelo cliente), porque ele pode conquistar para si uma vantagem competitiva no mercado se puder prever com precisão onde "cortar atalhos" de maneiras que o cliente fará nunca tem que pagar. Assim, ele poderia ter um custo unitário de transmissão mais baixo. No entanto, deve certificar-se ao fazê-lo de que as transmissões que está a utilizar são fiáveis, porque a sua substituição, estando coberta por uma longa garantia, será à sua custa.

Montagem aleatória disponível, mas não idealmente desejável: peças "leves" e "pesadas"

A outra área principal de aplicação para montagem seletiva é em contextos onde a intercambialidade total é de fato alcançada, mas o "ajuste e acabamento" dos produtos finais podem ser aprimorados minimizando a incompatibilidade dimensional entre as peças correspondentes. Considere outra aplicação semelhante à acima com o pino de 12 mm. Mas digamos que, neste exemplo, não apenas a precisão é importante (para produzir o ajuste desejado), mas a precisão também é importante (porque o pino de 12 mm deve interagir com outra coisa que terá que ser dimensionada com precisão para 12 mm). Algumas das implicações desse exemplo são que a taxa de rejeição não pode ser reduzida; todas as peças devem estar dentro da faixa de tolerância ou ser descartadas. Portanto, não há economia com a recuperação de peças de tamanho grande ou pequeno da sucata. No entanto, não é ainda um pouco de valor a ser tido de montagem selectiva: com todos os pares acasalados têm como fim a montagem deslizante idêntico quanto possível (em oposição a alguns ajustes mais apertados e alguns mais frouxos uniforme para todos deslizante, mas com a variação da resistência) .

Um exemplo de um produto que benefício pode com esta abordagem poderia ser um toolroom -grade máquina-ferramenta , onde não só é a precisão muito importante, mas também o ajuste e acabamento.

Veja também

Referências

Bibliografia

Leitura adicional

links externos