institutos superiores de ensino do censa curso de

INSTITUTOS SUPERIORES DE ENSINO DO CENSA

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CIÊNCIAS SOCIAIS APLICADAS E DA SAÚDE

CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

PROJETO DE UMA MÁQUINA PARA CURVAR TUBOS PARA UTILIZAÇÃO NO

PROJETO ISEBAJA

Por

Marcus Vinícius da Silva Pinto Vieira

Campos dos Goytacazes - RJ

Junho / 2019

1

INSTITUTOS SUPERIORES DE ENSINO DO CENSA

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CIÊNCIAS SOCIAIS APLICADAS E DA SAÚDE

CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

PROJETO DE UMA MÁQUINA PARA CURVAR TUBOS UTILIZAÇÃO NO

PROJETO ISEBAJA

Por


Trabalho de fim de curso apresentado em

cumprimento às exigências para obtenção do

grau no Curso de Graduação em Engenharia

Mecânica nos Institutos Superiores de Ensino

do CENSA.

Orientador: Silas das Dores de Alvarenga, Esp.

Campos dos Goytacazes - RJ

Junho / 2019

2

PROJETO DE UMA MÁQUINA PARA CURVAR TUBOS UTILIZAÇÃO NO

PROJETO ISEBAJA

Por


Trabalho de Fim de Curso apresentado em

cumprimento às exigências para a obtenção

do grau no Curso de Graduação em

Engenharia Mecânica nos Institutos

Superiores de Ensino do CENSA

Aprovado em ___ de __________________ de _______

BANCA EXAMINADORA

______________________________________________

Silas das Dores de Alvarenga, Esp. – ISECENSA

______________________________________________

Cláudia Márcia Ribeiro Machado Albernaz, MSc - ISECENSA

______________________________________________

Lucas Nunes Nogueira, Esp. - ISECENSA

3

DEDICATÓRIA

Dedico esse trabalho à minha mãe,

que até hoje, não duvida do quão longe

eu posso chegar.

4

AGRADECIMENTOS

Agradeço a minha mãe Kátia Aparecida e a minha noiva Larissa, por ter me

apoiado e incentivado nos momentos mais importantes.

A esta universidade, todos os professores que contribuíram direta e indiretamente

com o meu crescimento acadêmico, à coordenação e à direção. Em especial ao

professor e orientador Silas das Dores de Alvarenga, pelo apoio, confiança e pela

inspiração ao tema, possibilitando a elaboração deste trabalho.

A todos os colegas e amigos que conviveram e estudaram comigo durante a

minha trajetória acadêmica no ISECENSA.

Aos meus colegas de serviço, que também me ajudaram na elaboração deste

trabalho, em especial ao Hugo Machado e Luis Antonio Rangel.

E principalmente, a Deus, por que sem Ele nada disso teria sido possível.

5

“Ninguém é tão sábio que não tenha algo para

aprender e nem tão tolo que não tenha algo

para ensinar.”

(Blaise Pascal)

6

LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS

A.C. – Antes de Cristo

ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas

AISI – American Iron and Steel Institute

ASTM – American Society for Testing and Materials

C – Carbono

CAD – Computer-aided design

CBCA – Centro Brasileiro da Construção em Aço

CNC – Comando numérico computadorizado

HB – Hardness Brinell

ISECENSA – Institutos Superiores de Ensino do CENSA

ISO – International Organization for Standardization

LPM – Litro por minuto

N – Nitrogênio

N.F.P.A. – National Fluid Power Association

NBR – Normas Brasileiras

O – Oxigênio

PC – Policarbonato

PE – Polietileno

PS – Poliestireno

PVC – Cloreto de Polivinila

RPM – Rotação por minuto

SAE – Society of Automotive Engineers

Si – Silício

TCC – Trabalho de Conclusão de Curso

7

LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Processo de Laminação ............................................................................. 22

Figura 2: Processos de Extrusão: (a) Direta; (b) Inversa .......................................... 23

Figura 3: Processo de Trefilação ............................................................................... 24

Figura 4: Processos de Estampagem: (a) Profunda; (b) Conformação Geral ........... 26

Figura 5: Processos de Forjamento: (a) Matriz Aberta; (b) Matriz Fechada .............. 27

Figura 6: Dobramento por Tração ............................................................................. 29

Figura 7: Dobramento por Compressão .................................................................... 29

Figura 8: Dobramento por Estiramento ..................................................................... 30

Figura 9: Calandragem com: (a) Três Cilindros; (b) Quatro Cilindros ....................... 31

Figura 10: Matrizes internas para Dobramentos de Tubo ......................................... 32

Figura 11: Diagrama tensão-deformação específica de materiais elastoplásticos .... 33

Figura 12: Diagrama de tensão em material elastoplástico onde M<Me ................... 33

Figura 13: Diagrama de tensão em material elastoplástico onde M=Me ................... 34

Figura 14: Diagrama de tensão em material elastoplástico onde M>Me ................... 35

Figura 15: Diagrama de tensão em material elastoplástico onde M=Mp ................... 36

Figura 16: Gráfico Tensão x Deformação com retorno elástico ................................ 38

Figura 17: Raio e Ângulo após Recuperação Elástica .............................................. 39

Figura 18: Objetos comuns feitos a partir de materiais: (a) Metálicos; (b)

Cerâmicos; (c) Poliméricos........................................................................................ 41

Figura 19: Tensão Normal ......................................................................................... 46

Figura 20: Carregamento Uniaxial de Tração e Compressão ................................... 46

Figura 21: Tensão Cisalhante ................................................................................... 47

Figura 22: Distribuição da Tensão Cisalhante ........................................................... 47

Figura 23: Corpo sob Flexão ..................................................................................... 48

Figura 24: Corpo sob Torção ..................................................................................... 49

8

Figura 25: Deformação por Cisalhamento em um Plano ........................................... 50

Figura 26: Comparação entre critérios de Tresca e von Mises ................................. 56

Figura 27: Contato real entre duas superfícies.......................................................... 56

Figura 28: Valores para coeficiente de desgaste por adesão em função do tipo de

material e estado de lubrificação ............................................................................... 58

Figura 29: Terminologia de roscas ............................................................................ 60

Figura 30: Conjunto de eixo-casquilho ...................................................................... 61

Figura 31: Mancais de: (a) Esferas; (b) Rolos; (c) Agulhas ....................................... 62

Figura 32: Bucha acoplada à peça e ao eixo ............................................................ 62

Figura 33: Guia de porta corrediça ............................................................................ 63

Figura 34: Visão lateral evidenciando o eixo ............................................................. 63

Figura 35: Dispositivo Hidráulico usado para aumentar força ................................... 65

Figura 36: Atuadores Hidráulicos: (a) Cilindro; (b) Motor; (c) Oscilador .................... 67

Figura 37: Principais componentes da máquina de dobramento por prensa

hidráulica ................................................................................................................... 69

Figura 38: Desenho da Máquina ............................................................................... 74

Figura 39: Fluxograma .............................................................................................. 75

Figura 40: Representação da força sendo aplicada no tubo ..................................... 76

Figura 41: Representação da altura de deslocamento para 90º ............................... 77

Figura 42: Válcula 4/3 vias normalmente fechada e sua simbologia ......................... 80

Figura 43: Válvula Controladora de Fluxo e sua simbologia ..................................... 80

Figura 44: Manômetro e sua simbologia ................................................................... 81

Figura 45: Estrutura ................................................................................................... 81

Figura 46: Rolete ....................................................................................................... 82

Figura 47: Dimensões Básicas do Perfil .................................................................... 82

Figura 48: Pino Rosqueado ....................................................................................... 83

Figura 49: Vista Isométrica das Matrizes .................................................................. 83

9

Figura 50: Esquema do Sistema Hidráulico .............................................................. 87

Figura 51: Estrutura dividida em três partes .............................................................. 89

Figura 52: Base da Estrutura sob Flexão .................................................................. 89

Figura 53: Parte Superior da Estrutura sob Flexão ................................................... 90

Figura 54: Concentrador de Tensão de Flexão para Placa com Furo ....................... 90

10

LISTA DE QUADROS

Quadro 1: Elementos que constituem os aços-carbono ............................................ 43

Quadro 2: Categorias do aço-carbono de acordo com o teor de carbono ................. 43

Quadro 3: Propriedades de Alguns Materiais ............................................................ 54

Quadro 4: Coeficiente de desgaste k por abrasão .................................................... 59

Quadro 5: Tubos Comerciais ..................................................................................... 75

Quadro 6: Classificação dos Sistemas segundo N.F.P.A. ......................................... 76

Quadro 7: Dimensões Básicas de Roscas ................................................................ 83

11

LISTA DE EQUAÇÕES

Equação 1: Tensão Máxima de Flexão ..................................................................... 34

Equação 2: Momento Fletor máximo antes do escoamento...................................... 35

Equação 3: Momento Fletor máximo antes do escoamento para barra retangular ... 35

Equação 4: Tensão em determinada região da barra ............................................... 36

Equação 5: Momento Plástico ................................................................................... 37

Equação 6: Momento Fletor para seção cilíndrica .................................................... 37

Equação 7: Coeficiente de resistência do Material .................................................... 39

Equação 8: Relação de Ângulo e Raio de Dobramento ............................................ 40

Equação 9: Tensão Normal Axial .............................................................................. 46

Equação 10: Tensão de Cisalhamento média ........................................................... 47

Equação 11: Tensão de Cisalhamento ..................................................................... 47

Equação 12: Tensão de Flexão ................................................................................. 48

Equação 13: Tensão de Torção ................................................................................ 49

Equação 14: Deformação .......................................................................................... 49

Equação 15: Lei de Hooke ........................................................................................ 51

Equação 16: Deformação no eixo X .......................................................................... 51

Equação 17: Relação entre Tensão Cisalhante com Distorção e módulo de

Elasticidade ............................................................................................................... 51

Equação 18: Coeficiente de Poisson ......................................................................... 52

Equação 19: Módulo de Elasticidade Transversal ..................................................... 52

Equação 20: Tensão Normal Equivalente ................................................................. 54

Equação 21: Tensão Equivalente de von Mises ........................................................ 55

Equação 22: Profundidade de desgaste ................................................................... 57

Equação 23: Potência instantânea ............................................................................ 64

Equação 24: Pressão ................................................................................................ 65

12

Equação 25: Massa Específica ................................................................................. 65

Equação 26: Vazão relacionado ao Volume e Tempo .............................................. 66

Equação 27: Vazão relacionado à Área e Velocidade ............................................. 66

Equação 28: Força Central no Tubo ......................................................................... 76

Equação 29: Pressão de Trabalho ............................................................................ 76

Equação 30: Diâmetro do Pistão ............................................................................... 77

Equação 31: Pressão de Trabalho corrigida ............................................................. 77

Equação 32: Diâmetro da Haste ............................................................................... 77

Equação 33: Velocidade de Avanço .......................................................................... 78

Equação 34: Velocidade de Retorno ......................................................................... 78

Equação 35: Área do Pistão ...................................................................................... 78

Equação 36: Área da Coroa ...................................................................................... 78

Equação 37: Relação entre a Área do Pistão e a Área da Coroa ............................. 78

Equação 38: Vazão Induzida no Avanço ................................................................... 79

Equação 39: Vazão Induzida no Retorno .................................................................. 79

Equação 40: Pressão Induzida no Avanço ................................................................ 79

Equação 41: Pressão da Bomba ............................................................................... 79

Equação 42: Deslocamento (Cilindrada) ................................................................... 79

Equação 43: Torque Absorvido ................................................................................. 80

Equação 44: Potência Absorvida .............................................................................. 80

Equação 45: Altura do Filete da Rosca ..................................................................... 82

Equação 46: Força de Tração no Parafuso ............................................................... 84

Equação 47: Carga de Prova .................................................................................... 84

Equação 48: Torque no Parafuso .............................................................................. 84

Equação 49: Critério de Segurança .......................................................................... 89

Equação 50: Tensão Máxima com concentração de Tensão .................................... 91

Equação 51: Tensão de Contato do Pino com a Chapa ........................................... 91

13

Equação 52: Momento de Inércia .............................................................................. 92

14

SUMÁRIO

DEDICATÓRIA ............................................................................................................ 3

AGRADECIMENTOS .................................................................................................. 4

LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS ...................................................................... 6

LISTA DE FIGURAS ................................................................................................... 7

LISTA DE QUADROS ............................................................................................... 10

LISTA DE EQUAÇÕES ............................................................................................. 11

CAPÍTULO I: REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................ 18

1. PROCESSOS DE FABRICAÇÃO ......................................................................... 19

1.1 Laminação ........................................................................................................... 22

1.2 Extrusão .............................................................................................................. 23

1.3 Trefilação ............................................................................................................. 24

1.4 Estampagem ....................................................................................................... 25

1.5 Forjamento .......................................................................................................... 27

2. DOBRAMENTO ..................................................................................................... 28

2.1 Mecanismos de Dobramento ............................................................................... 28

2.2 Momento Necessário para Realização de Dobramento ...................................... 33

2.3 Recuperação Elástica ......................................................................................... 37

3. MATERIAIS ........................................................................................................... 40

3.1 Tipos de Materiais ............................................................................................... 40

3.2 Aplicações do Aço ............................................................................................... 44

3.3 Tensões e Tipos de Solicitações ......................................................................... 45

3.4 Deformação ......................................................................................................... 49

3.5 Propriedades dos Materiais ................................................................................. 50

3.6 Solicitações Combinadas e Critérios de Falha .................................................... 54

3.7 Desgaste ............................................................................................................. 56

4. ELEMENTOS DE MÁQUINAS .............................................................................. 59

15

4.1 Elementos de Fixação ........................................................................................ 60

4.2 Elementos de Apoio de Fixação .......................................................................... 61

4.3 Eixo ..................................................................................................................... 63

5. HIDRÁULICA ......................................................................................................... 64

5.1 Pressão ............................................................................................................... 64

5.2 Massa Específica ................................................................................................ 65

5.3 Vazão .................................................................................................................. 66

5.4 Componentes de Sistemas Hidráulicos ............................................................... 66

5.4.1 Atuadores Hidráulicos ...................................................................................... 66

5.4.2 Válvulas ............................................................................................................ 67

5.4.3 Manômetro ....................................................................................................... 67

5.4.4 Bombas ............................................................................................................ 68

5.4.5 Filtros ................................................................................................................ 68

6. MÁQUINAS DE DOBRAMENTO DE TUBOS ....................................................... 68

6.1 Dobramento por Rotação .................................................................................... 69

6.2 Dobramento por Prensas Hidráulicas .................................................................. 69

6.3 Dobramento por Rolagem de Tubos ................................................................... 70

CAPÍTULO II: ARTIGO CIÊNTIFICO ........................................................................ 71

1. INTRODUÇÃO ...................................................................................................... 73

1.1 Objetivos Gerais .................................................................................................. 73

1.2 Objeticos Específicos .......................................................................................... 73

1.3 Justificativa e Relevâncias .................................................................................. 73

2. METODOLOGIA .................................................................................................... 74

2.1 Síntese do Projeto ............................................................................................... 74

2.2 O Tubo que será conformado .............................................................................. 75

2.3 Sistema Hidráulico .............................................................................................. 76

2.3.1 Atuador Hidráulico ............................................................................................ 76

16

2.3.2 Bomba Hidráulica ............................................................................................. 79

2.3.3 Válvula de Acionamento e Parada ................................................................... 80

2.3.4 Válvula Controladora de Fluxo ......................................................................... 80

2.3.5 Manômetro ....................................................................................................... 81

2.3.6 Filtro ................................................................................................................. 81

2.4 Sistema Mecânico ............................................................................................... 81

2.4.1 Estrutura ........................................................................................................... 81

2.4.2 Roletes ............................................................................................................. 82

2.4.3 Pinos ................................................................................................................ 82

2.4.4 Matriz ................................................................................................................ 83

2.4.5 Parafusos de Fixação ....................................................................................... 84

3. RESULTADOS E DISCUSSÕES .......................................................................... 84

3.1 O Tubo que será conformado .............................................................................. 84

3.2 Sistema Hidráulico .............................................................................................. 85

3.2.1 Atuador Hidráulico ............................................................................................ 85

3.2.2 Bomba Hidráulica ............................................................................................. 86

3.2.3 Representação do Sistema Hidráulico ............................................................. 87

3.3 Sistema Mecânico ............................................................................................... 88

3.3.1 Estrutura ........................................................................................................... 89

3.3.2 Roletes ............................................................................................................. 91

3.3.3 Pinos ................................................................................................................ 91

3.3.4 Matriz ................................................................................................................ 92

3.3.5 Parafusos de Fixação ...................................................................................... 93

4. CONCLUSÕES ..................................................................................................... 93

4.1 Sugestões para Trabalhos Futuros ..................................................................... 94

CAPÍTULO III: REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................. 95

ANEXOS – TABELAS ............................................................................................. 102

17

Tabela 1: Cilindros Comerciais ................................................................................ 102

Tabela 2: Cargas de Euler ...................................................................................... 103

Tabela 3: Bombas de Engrenagem do tipo G2 ....................................................... 104

Tabela 4: Categorias Métricas de Propriedades Mecânicas para Parafusos .......... 105

APÊNDICES – DESENHOS TÉCNICOS ................................................................ 106

18

CAPÍTULO I: REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

19

1. PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA

Segundo Schaeffer (2004), a conformação começou a ser empregada

desde a descoberta dos mais simples metais extraídos do solo terrestre. Desde

4000 anos A.C. o ser humano manipulava o ouro, prata e cobre, e na era do

bronze (2500 A.C.) no Egito e na Mesopotamia, já se trabalhavam formando as

primeiras ligas metálicas com zinco e cobre. A partir da conformação mecânica,

são geradas várias peças empregadas em equipamentos e maquinários, como

tanques de combustíveis de foguetes espaciais, paralama de automóveis,

virabrequim, e até mesmo próteses de fêmur.

Conforme Bresciane Filho et al (2011), a conformação mecânica é um

processo de modificação da forma de um corpo para outra definida, sem que haja

a perda de massa. É importante que haja o estudo dos processos de

conformação plástica dos metais, uma vez que a maioria dos produtos metálicos

fabricados é submetida ao processo. De acordo com o esforço predominante, os

processos de conformação plástica são classificados em:

a) Processos de conformação por compressão direta;

b) Processos de conformação por compressão indireta;

c) Processos de conformação por tração;

d) Processos de conformação por cisalhamento;

e) Processos de conformação por flexão.

Na conformação por compressão direta, é predominante a solicitação

externa por compressão sobre a peça a qual está sendo trabalhada. Estão

presentes nesse processo o forjamento (livre e em matriz) e laminação (plana e

de perfis) (BRESCIANE FILHO et al, 2011).

Na conformação por compressão indireta, ambas as forças externas

podem ser tanto de tração quanto de compressão, porém, as que efetivamente

realizam a conformação plástica do metal são as de compressão indireta

20

desenvolvida pela reação da matriz sobre a peça. Estão incluídos nesse processo

a trefilação, extrusão e estampagem profunda (ROCHA, 2012).

No processo de conformação por tração, tem-se como principal exemplo

o estiramento de chapas, onde a peça toma a forma da matriz, por meio de

aplicações de forças de tração em suas extremidades (BRESCIANE FILHO et al,

2011).

No processo de cisalhamento, forças cisalhantes são aplicadas para

romper o metal no seu plano de cisalhamento. Têm-se como exemplos desse tipo

de aplicação os processos de torção de barras e corte de chapas (ROCHA, 2012).

Na conformação por flexão, as modificações da forma são realizadas

graças à aplicação de um momento fletor. Este processo é utilizado para o

dobramento de chapas, barras e outros produtos (BRESCIANE FILHO et al,

2011).

Os processos de conformação também são classificados quanto a

temperatura de trabalho, sendo eles processos com trabalho mecânico a frio e

com trabalho mecânico a quente (BRESCIANE FILHO et al, 2011).

Quando a temperatura de trabalho é inferior à temperatura que ocorre a

recristalização do metal, o processo é considerado como trabalho a frio, o qual

provoca encruamento do metal (aumento da densidade de discordâncias) onde

sua dureza ou resistência mecânica é aumentada. Os aços de baixo teor de

carbono (entre 0,03% a 0,30%) não conseguem ter sua dureza aumentada por

tratamento térmico, pois tem pouco carbono para ser submetido a um

endurecimento maciço. Neste caso uma alternativa para o aumento da resistência

mecânica é a aplicação da conformação a frio (ROCHA, 2012; CALLISTER;

RETHWISCH, 2012; NORTON, 2013).

Quando a temperatura de trabalho é superior à temperatura que ocorre a

recristalização do metal, o processo é considerado como trabalho a quente. No

21

processo a quente, a deformação plástica é feita em uma faixa de temperatura, e

em um determinado tempo onde o encruamento é eliminado pela recristalização

do metal. No trabalho mecânico a quente, os grãos que são deformados

plasticamente têm energia para sua reestruturação, e assim, retornarem a forma

inicial. Com isso, a peça final manterá as propriedades mecânicas iniciais

(ROCHA, 2012; CALLISTER; RETHWISCH, 2012).

Rocha (2012) lista vantagens e desvantagens para o processo de

conformação a quente.

Vantagens:

a) Menos energia requerida para deformação do metal, uma vez que a tensão

de escoamento diminui com a elevação da temperatura;

b) Elevação da capacidade do material para escoar sem o rompimento

(ductilidade);

c) Homogeneização química de estruturas brutas de fusão (ex.: eliminação de

segregações) devido a veloz difusão atômica interna;

d) Extinção de bolhas e poros por caldeamento;

e) Extinção e refino da granulação rústica e colunar do material o qual foi

fundido, disponibilizando grãos menores, recristalizados e equiaxiais;

f) Elevação da tenacidade e ductilidade do metal trabalhado em relação ao

material bruto de fusão.

Desvantagens:

a) Requerido equipamentos especiais para o aquecimento das peças (fornos,

manipuladores, etc.) e consequentemente, gasto de energia para realização do

trabalho;

b) Reações da atmosfera do forno com o metal, tendo perdas de material por

oxidação e outros tipo de problemas relacionados. No caso dos aços, também

ocorrerá descarbonetação superficial; metais do tipo reativos, como o titânio,

ficam rigorosamente fragilizados pelo oxigênio e há a necessidade de serem

trabalhados em atmosfera inerte ou protegidos do ar por uma barreira específica;

22

c) Possibilidade de o acabamento superficial ser prejudicado, por conta da

formação de óxidos;

d) Desgaste maior das ferramentas, além da lubrificação dificultada;

e) Requerimento de grandes tolerâncias dimensionais, por conta da expansão

e contração térmicas;

f) Características estruturais e propriedades do produto resultam menos

uniformes comparados ao trabalho a frio com recozimento, uma vez que a

deformação sempre superior nas camadas superficiais produz nela granulação

recristalizada mais fina, enquanto nas camadas centrais, onde a deformação é

menor e sujeita a um resfriamento mais lento, apresentam crescimento de grãos.

1.1 Laminação

Schaeffer (2004) define laminação como uma operação de conformação

mecânica que tem como finalidade a redução de secção de blocos ou barras, o

aumento do comprimento e a melhoria das propriedades dos materiais

(ductilidade, resistência mecânica e estrutura superficial). A Figura 1 ilustra o

processo de laminação.

Figura 1: Processo de Laminação

Fonte: Adaptado de Bresciane Filho et al (2011)

O processo consiste na passagem de um corpo sólido entre dois cilindros,

que giram na mesma velocidade periférica, porém em sentidos opostos. O corpo

da peça inicial tem dimensão maior do que a distância entre as superfícies laterais

dos cilindros, e com isso, a peça sofrerá uma deformação plástica na passagem

entre os cilindros, resultando na redução da secção transversal e aumento do

comprimento e largura. A obtenção de determinadas dimensões do corpo consiste

23

em submeter a peça em sucessivos passes através dos cilindros, com distâncias

entre si decrescentes (BRESCIANE FILHO et al, 2011).

1.2 Extrusão

Consoante Helman e Cetlin (2005), o processo de extrusão é

relativamente novo, comparado à maioria dos outros processos de conformação

mecânica. A operação de extrusão consiste na passagem forçada de um bloco

através do orifício de uma matriz, mediante a aplicação de pressões elevadas,

podendo ser mecânicas ou hidráulicas. A extrusão é classificada em extrusão

direta e extrusão inversa, conforme é ilustrado na Figura 2.

Figura 2: Processos de Extrusão: (a) Direta; (b) Inversa


Na extrusão direta, a peça a ser conformada é colocada em um cilindro e

empurrada contra a matriz, através de um pistão acionado por uma haste

(HELMAN; CETLIN, 2005).

Na extrusão inversa, é empregada uma haste oca, a qual empurra a

matriz contra a peça a ser extrudada, a qual sai da matriz em um sentido contrário

ao movimento da haste. A outra extremidade do cilindro encontra-se fechada por

uma placa. Como não existe movimento relativo entre a peça e o cilindro, as

forças de atrito são significativamente menores que na extrusão direta,

necessitando de menores potências de operações (HELMAN; CETLIN, 2005).

De acordo com Bresciane Filho et al (2011), a operação de extrusão tem

como produtos finais perfis, tubos, e particularmente, barras de secção circular.

24

Para metais não-ferrosos comuns, a operação de extrusão pode ser mais usual

comparada ao processo de laminação, pois é possível a obtenção de perfis de

forma variada, apesar da limitação do comprimento do produto obtido. A extrusão

permite ainda a obtenção de um produto mais homogêneo, isso porque resulta da

manutenção da temperatura de trabalho em níveis mais constantes. Além disso, a

extrusão proporciona produtos menos atacados por oxidação superficialmente,

por causa do pequeno contato do tarugo, ou lingote, com o meio ambiente

durante a operação.

O processo de extrusão apresenta como desvantagens: custo elevado

para aquisição do equipamento, limitação de comprimento do perfil, velocidade de

trabalho menor e maior desuniformidade de deformação ao final da operação

(BRESCIANE FILHO et al, 2011).

1.3 Trefilação

A trefilação consiste em conduzir forçadamente um fio (ou barra ou tubo),

através de uma fieira mediante a aplicação de força de tração à saída desta fieira.

A Figura 3 ilustra a operação de trefilação (HELMAN; CETLIN, 2005).

Figura 3: Processo de Trefilação


A fieira contém um furo em seu centro, por onde é passado o fio. Esse

furo possui o diâmetro decrescente, e apresenta um perfil em forma de funil curvo

ou cônico. A condução do fio pela fieira causa a diminuição de sua secção e,

como o processo é geralmente realizado a frio, ocasiona o encruamento com

25

modificação das propriedades mecânicas do material do fio. Esta modificação

gera redução da ductilidade e aumento da resistência mecânica (ROCHA, 2012).

A operação de trefilação, portanto, é um trabalho de deformação

mecânica realizada a frio, ou seja, abaixo da temperatura de recristalização e tem

como produto final fios (ou barras ou tubos) de diâmetros menores e com

propriedades mecânicas controladas. Durante as várias etapas da trefilação

(quando há passagens por sucessivas fieiras de diâmetros finais decrescentes),

pode ter a necessidade da realização de um tratamento térmico de recozimento,

com a finalidade de conferir a ductilidade necessária ao prosseguimento do

processo ou para conferir a ductilidade requerida para o atendimento das

propriedades mecânicas específicas ao produto final (BRESCIANE FILHO et al,

2011).

A matéria-prima utilizada na operação de trefilação é um produto na forma

de arame (ou barra ou tubo) gerado pela operação de extrusão (para metais não-

ferrosos) ou pela operação de laminação (para metais ferrosos e não-ferrosos)

(BRESCIANE FILHO et al, 2011).

1.4 Estampagem

Os processos de estampagem são caracterizados por trabalhar com

matéria prima de espessura fina, tais como chapas, perfis ou tubos de paredes

finas. A estampagem consiste na conformação da peça feita a partir de um

pedaço de chapa cortada, que é denominada de disco ou esboço (forma

qualquer) (SCHAEFFER, 2004; ROCHA, 2012).

Rocha (2012) classifica o processo em dois grandes grupos: estampagem

profunda (ou embutimento) e conformação geral, ambos sendo ilustrados na

Figura 4.

26

Figura 4: Processos de Estampagem: (a) Profunda; (b) Conformação Geral

Fonte: Adaptado de da Rocha (2012)

Bresciane Filho et al (2011) afirma que o grupo de estapagem profunda é

composto pelos processos de:

a) Conformação por estampagem, reestampagem e reestampagem reversa

de copos;

b) Conformação por estampagem e reestampagem de caixas;

c) Conformação rasa com estampagem e reestampagem de painéis;

d) Conformação profunda com estampagem de painéis.

Ao contrário do processo de estampagem profunda, cujos processos

utilizam ferramentas acionadas por prensas, os processos de conformação em

geral podem ser realizados em prensas viradeiras, rolos conformadores e outros

tipos mais específicos de equipamentos e ferramentas de conformação. As

principais operações pertencentes a esse grupo são: dobramento, flangeamento,

rebordamento, nervuramento, enrolamento parcial ou total, estaqueamento,

abaulamento, pregueamento, gravação, corrugamento, conformação de tubos,

dentre outros processos específicos (BRESCIANE FILHO et al, 2011).

27

Os esforços que ocorrem nas operações de conformação são complexos

e variam com o decorrer do processo. Normalmente, as operações de

conformação de chapas são realizadas a frio, tendo como matéria-prima

laminados delgados de aço, ligas de alumínio, ligas de cobre, dentre outros

materiais (BRESCIANE FILHO et al, 2011).

1.5 Forjamento

Possivelmente, é a mais antiga operação de conformação mecânica,

onde era realizada por ferreiros com martelos e bigornas. O Forjamento consiste

em deformar a peça por martelamento ou prensagem. Normalmente, a operação

é realizada a quente, porém, recentemente também tem sido executada a frio. A

operação é classificada em forjamento em matrizes abertas e em matrizes

fechadas, conforme é ilustrado na Figura 5 (HELMAN; CETLIN, 2005).

Figura 5: Processos de Forjamento: (a) Matriz Aberta; (b) Matriz Fechada


No processo em matriz aberta, a restrição ao movimento lateral da peça

sendo comprimida é pequena, e as matrizes possuem geometria simples. A

operação consiste em deformar a peça por compressão direta, e o material escoa

no sentido perpendicular à direção de aplicação da força (caminho de menor

atrito). A operação é usualmente aplicada para grandes peças, ou quando a

demanda é pequena, não compensando a produção de matrizes caras.

Normalmente, o forjamento em matriz aberta é usado para pré-conformar a peça

para o forjamento em matriz fechada (HELMAN; CETLIN, 2005; BRESCIANE

FILHO et al, 2011).

28

No processo em matriz fechada, a peça deverá adotar uma forma

esculpida previamente nas duas matrizes, possuindo fortes restrições ao livre

espalhamento do material. O processo não é realizado de uma vez só, usinam-se

diversas cavidades em matrizes, e a peça vai sendo forjada, sucessivamente,

nessas cavidades, chegando gradualmente até seu formato final. Deve haver

grande demanda da peça para justificar o elevado custo das matrizes (HELMAN;

CETLIN, 2005; BRESCIANE FILHO et al, 2011).

2. DOBRAMENTO

O Processo de dobrar tubos possui grandes aplicações na indústria

automotiva, aeronáutica e de eletrodomésticos. Além dessas, é encontrado

aplicações na fabricação de elementos estruturais para construção civil e para

componentes de sistemas de vácuo, hidráulicos, pneumáticos e de energia

elétrica (RUSSO JUNIOR, 1997).

Dobramento é um tipo de conformação mecânica onde são realizadas

dobras e curvaturas em chapas ou tubos metálicos (GROOVER, 2007).

Segundo Basso (2014), além da temperatura de trabalho, a operação de

dobramento é classificada de acordo com o mecanismo de dobra.

2.1 Mecanismos de Dobramentos

A American Society for Metals Handbook (1988) lista os métodos mais

comuns para dobramentos de tubos, que são:

a) Dobramento por tração (draw bending);

b) Dobramento por compressão (compression bending);

c) Dobramento por estiramento (stretch bending);

d) Calandragem (roll bending).

29

Segundo González (2000), o dobramento por tração é constituído em fixar

um dos lados do tubo à matriz circunferencial, de um raio específico, e apoia o

mesmo com a matriz de carga (Figura 6).

Figura 6: Dobramento por Tração

Fonte: González (2000)

O método de dobramento por tração rotativa é o mais utilizado na

indústria, devido ao seu baixo custo e flexibilidade. Na operação de dobramento

por tração o tubo é dobrado, graças ao movimento rotativo da matriz

circunferencial em torno de seu eixo. A abrasão gerada pelo atrito entre o tubo e a

superfície da matriz de carga deve ser levada em consideração quando for

projetada a máquina de dobramento, uma vez que o mesmo deverá suportar a

abrasão anteriormente dita (AGARWAL, 2004; GONZÁLEZ, 2000).

González (2000) diz que no caso do dobramento por compressão, o tubo

é preso em uma matriz fixa com o raio requerido (Figura 7).

Figura 7: Dobramento por Compressão.


30

O mecanismo de dobramento de tubos por compressão é similar ao de

dobramento por tração. Na operação do dobramento por compressão, o

dobramento ocorre pela aplicação da força na sapata móvel, que desloca o tubo

contra a matriz fixa até a forma final. A única diferença entre o processo de

dobramento por compressão e tração, é que a matriz no mecanismo de

compressão é fixa, enquanto no de tração, a matriz é móvel. Não é permitido

nesse método um controle de fluxo do material tão bom comparado com o

dobramento por tração, porém, ainda assim é amplamente utilizado em máquinas

de dobramento por prensas hidráulicas e máquinas de dobramento por rotação

(AGARWAL, 2004; GONZÁLEZ, 2000).

Conforme González (2000), o dobramento por estiramento consiste em

fixar as extremidades do tubo e estirá-lo contra a matriz fixa (Figura 8).

Figura 8: Dobramento por Estiramento


Comparado aos outros métodos, o dobramento por estiramento é o mais

novo, utilizado na área industrial. Nesta operação, tanto as fibras internas, quanto

externas do tubo estão em sob tensão. Os componentes deste equipamento

consistem em mandril, fixadores nas extremidades e atuador hidráulico. A

operação consiste em estirar axialmente o tubo, selecionando um valor de tensão.

A pressão é aumentada para o nível desejado, enquanto a tensão é mantida

constante. O dobramento por estiramento é utilizado quando se deseja uma curva

irregular ou larga (grande perímetro) (AGARWAL, 2004; GONZÁLEZ, 2000).

31

González (2000) cita sobre a calandragem, operação demonstrada na

Figura 9, onde geralmente são utilizados três cilindros com movimentos rotatórios,

dois inferiores e um superior (entre os inferiores) para realizar o trabalho de

curvatura. A calandragem também pode ser feita com quatro ou mais cilindros.

Figura 9: Calandragem com: (a) Três Cilindros; (b) Quatro Cilindros

Fonte: Adaptado de González (2000)

Esta operação de dobramento é geralmente empregada para tubos de

grande raio e com seções de diferentes diâmetros. Na operação de calandragem,

com três cilindros, o superior realiza o dobramento, executando uma força

perpendicular ao tubo, enquanto este tem movimentos oscilatórios. O método é

executado quando é requerido arcos de qualquer comprimento, com raio mínimo

de seis vezes o diâmetro do tubo (AGARWAL, 2004; GONZÁLEZ, 2000).

Russo Junior (1997) cita em sua dissertação que a utilização de um

mandril interno, em alguns casos, é recomendada, pois o mesmo evita o

surgimento de deformações indesejáveis (como rugas) e achatamentos. Em três

tipos são divididos: mandril rígido (tampão, forma ou perfil), mandril flexível

(laminas) e mandril articulado (bola, bola com cabo de aço e bolas articuladas). A

Figura 10 ilustra os principais mandris utilizados no processo de dobramento.

32

Figura 10: Matrizes internas para Dobramentos de Tubo


Segundo González (2000), os mandris rígidos apoiam o tubo apenas até

o início do dobramento, por conta de sua geometria. Se for posicionado muito a

frente do ponto de início do dobramento, poderá ocorrer abaulamentos, rugas e

achatamento. Dentre esse tipo, pode ser citado o mandril de tampão e o de forma

ou perfil.

Os mandris flexíveis são construídos por lâminas justapostas e

geralmente são utilizados para tubos de secção retangular, com poucas dobras.

Este mandril tem como desvantagem a dificuldade no procedimento de inserir e

remover o tubo, devido à pequena folga (GONZÁLEZ, 2000).

Mandris de bola, de bolas com cabo de aço e de bolas articuladas são

mandris articulados. Este é o tipo mais usado, pois fixam grande parte da

curvatura do tubo. Outra solução bastante utilizada na indústria é a inserção de

areia sena no interior do tubo (GONZÁLEZ, 2000).

No dobramento de tubos com parede fina e com a relação maior que

trinta vezes entre diâmetro externo e espessura de parede, são utilizadas mandris

do tipo multibolas. Estes são aplicados por conta de sua precisão, pois nesse tipo

de operação, as folgas não podem ser superiores a 10% da espessura da parede.

Estes requisitos são necessários principalmente para aplicação de tubos na

tecnologia do vácuo, onde não são toleradas rugas, pois ocasionam em perda de

carga (RUSSO JUNIOR, 1997).

33

2.2 Momento Necessário para Realização do Dobramento

Em sua bibliografia, Poll (2008), considera para o estudo do momento

fletor um material elastoplástico1 ideal, podendo ser representado na Figura 11

por meio do diagrama de tensão-deformação ideal.

Figura 11: Diagrama tensão-deformação específica de materiais elastoplásticos

Fonte: Beer et al (2011)

Sendo:

E: Módulo de Elasticidade

ε: Deformação

Na Figura 12 pode-se observar o diagrama de tensão em materiais

elastopláticos, onde a tensão normal máxima de flexão é maior que a tensão de

escoamento (POLL 2008).

Figura 12: Diagrama de tensão em material elastoplástico onde M<Me

Fonte: Adaptado de Beer et al (2011)

Sendo:

M: Momento Fletor

Me: Momento Fletor Máximo, antes do escoamento

1 O material é classificado como elastoplástico quando o mesmo apresenta duas parcelas de deformação,

uma elástica independente do tempo e a outra plástica (ALVES, 2003 apud PASCON, 2012 p. 47).

34

Segundo Poll (2008) enquando a tensão normal σx não for maior que à

tensão de escoamento, a lei de Hooke poderá ser aplicada sendo a distribuição

de tensões linear ao longo da seção (Equação 1).

σm = M.c

I

(1)

Onde:

σm: Tensão normal máxima

M: Momento fletor

c: Metade da altura da seção transversal da barra retangular

I: Momento de inércia

Na Figura 13 é ilustrado o diagrama de tensão em materiais

elastopláticos, onde a tensão normal máxima de flexão é igual a tensão de

escoamento. (POLL 2008).

Figura 13: Diagrama de tensão em material elastoplástico onde M=Me


Onde:

M: Momento Fletor


Ao aumentar o valor do momento fletor de forma a σm atingir a tensão de

escoamento σe, terá então o máximo momento elástico, ou seja, o valor maior de

momento onde as deformações se manterão totalmente elásticas, onde é possível

ser calculado por meio da Equação 2 (POLL, 2008).

35

Me = I

c. σe

(2)

Onde:

Me: momento fletor máximo, antes do escoamento

I: Momento de inércia

c: Metade da altura da seção transversal da barra retangular

Para o caso de uma barra com seção transversal retangular de largura b

e altura 2c, a Equação 2 se transformará na Equação 3 (POLL, 2008).

Me = b.(2.c)

3

12.c. σe =

2

3. b.c2.σe

(3)

Onde:


b: largura da barra retangular

c: metade da altura da seção transversal da barra retangular

σe: tensão de escoamento

Poll (2008) diz que se aumentar ainda mais o valor do momento fletor,

apareceram zonas plastificadas na barra, as quais apresentam tensões uniformes

e igual a na parte superior e na parte inferior da barra, como pode ser visto na

Figura 14.

Figura 14: Diagrama de tensão em material elastoplástico onde M>Me


36

Onde:

M: Momento Fletor


Entre as duas regiões plásticas, permanecerá um núcleo de material em

seu estado ainda elástico, com a tensão variando linearmente juntamente com a

distância y à linha neutra (centro). Desta forma, tem-se a Equação 4 (POLL,

2008).

σx = -σe

ye

.y (4)

Onde:

σx: tensão em determinada região da barra


ye: metade da espessura do núcleo elástico

y: distância de uma determinada região da barra à linha neutra

Poll (2008) diz que se houver mais um aumento no momento, a região

plastificada irá se expandir, ocorrendo, no limite, deformações totalmente

plastificadas (Figura 15).

Figura 15: Diagrama de tensão em material elastoplástico onde M=Mp


Onde:

M: Momento Fletor

Mp: Momento Plástico

37

Poll (2008) afirma que o momento fletor correspondente a uma seção

completamente plástica é denominado de momento plástico da barra estudada.

Assim origina a Equação 5.

Mp = 3

2 . Me

(5)

Onde:

Mp: momento plástico


Poll (2008) destaca a Equação 6, em específico, para o cálculo do

momento necessário para o dobramento de um tubo de seção cilíndrica.

M = 1,5.π.(R

4-r4)

4R.σe

(6)

Onde:

M: momento fletor


R: Raio externo

r: Raio interno

2.3 Recuperação Elástica

Para Poll (2008), a recuperação elástica, ou efeito mola, é uma das

dificuldades na conformação de materiais metálicos. Dieter (1981) define efeito

mola como a variação dimensional sofrida pela peça conformada após a liberação

da ferramenta de conformação. Este fenômeno ocorre em todos os processos de

conformação, mas no caso de dobramento, é perceptível de forma mais fácil, e

também, melhor estudado.

38

Callister e Rethwisch (2012) conceituam que o processo de

descarregamento é dado por uma curva paralela à curva elástica, representada

no diagrama Tensão x Deformação, partindo do ponto D (instante onde a carga é

retirada) (Figura 16).

Figura 16: Gráfico Tensão x Deformação com retorno elástico

Fonte: Callister e Rethwisch (2012)

Segundo Ilkiu (2000), a recuperação elástica ocorre no processo de

dobramento, pois o material deformado na região elastoplástica recupera parte de

sua deformação elástica provocado pelo dobramento. É permanecido

armazenado no material o restante da deformação elástica, e por a região elástica

ficar entre as duas regiões plásticas, estas impossibilitam a recuperação total das

deformações elásticas do material.

Apesar de não ser a forma mais precisa, a forma mais usual para

compensar o efeito mola é dobrar a peça até um raio de curvatura menor do que

o esperado. Quando a carga for liberada, o retorno elástico ocorrerá, e com isso,

a peça terá o raio de curvatura adequado (DIETER, 1981).

Poll (2008) diz que a recuperação elástica é proporcional tanto ao limite

de escoamento, quanto ao módulo elástico e a deformação plástica. E além disso,

será tanto maior quanto:

39

a) Maior limite de escoamento;

b) Menor módulo elástico;

c) Maior a deformação plástica.

Baseado na definição do efeito de mola, Poll (2008) apresenta a

Equação 7.

K = αf

α0

(7)

Onde:

K: coeficiente de resistência do material;

αf: ângulo de curvatura antes da liberação da carga;

α0: ângulo de curvatura depois da liberação da carga.

Poll (2008) demonstra em seu trabalho a relação entre o raio e o ângulo

de dobramento após a recuperação elástica (Figura 17).

Figura 17: Raio e ângulo após Recuperação Elástica

Fonte: Adaptado de Poll (2008)

Para Malavolta et al (2007), a previsão do ângulo final é feita a partir da

hipótese de que o comprimento do arco AB, ao ser submetido ao momento fletor

M, permaneça constante após a recuperação elástica. A partir dessa afirmação,

tem-se a Equação 8.

40

ρ0.Ф = ρ

f. β (8)

Onde:

Ф: ângulo de dobramento;

β: ângulo de dobramento após a recuperação elástica;

ρ0: raio inicial de dobramento do tubo;

ρf: raio final de dobramento do tubo.

3. MATERIAIS

Budynas e Nisbett (2011) dizem, “A seleção de um material para uma peça de máquina ou membro

estrutural é uma das decisões mais importantes que o desenhador deve

tomar. Normalmente, a decisão é tomada antes de as dimensões da

peça serem estabelecidas. Após escolher o processo de criação da

geometria desejada, bem como o material a ser empregado (os dois não

podem estar divorciados), o desenhador pode dar proporções ao

componente de modo que impeça perda de função ou que a chance de

perda de função possa ser mantida em um nível de risco aceitável.”

3.1 Tipos de Materiais

Callister e Rethwisch (2012) agrupam os materiais sólidos em três

categorias: metais, cerâmicos e polímeros. Esse esquema tem como parâmetros

a composição química e a estrutura atômica. Em adicional, existem os

compósitos, que são combinações de dois ou mais materiais diferentes, a fim de

imprimir novas propriedades. Além desses, existe outra categoria, que são os

materiais avançados, que são aplicados na alta tecnologia, como por exemplo,

semicondutores, biomateriais, materiais inteligentes e os materiais da

nanoengenharia.

A Figura 18 ilustra alguns objetos que são feitos a partir de materiais

metálicos, cerâmicos e poliméricos.

41

Figura 18: Objetos comuns feitos a partir de materiais: (a) Metálicos; (b) Cerâmicos; (c)

Poliméricos

Fonte: Adaptado de Callister e Rethwisch (2012)

Os metais são compostos por um ou mais elementos metálicos (como

ferro, alumínio, cobre, titânio, ouro e níquel), e regularmente também por

elementos não metálicos (carbono, nitrogênio e oxigênio) em quantidades

relativamente menores. Os átomos nos metais e em suas ligas estão arranjados

de forma muito ordenada, e comparado aos materiais cerâmicos e poliméricos,

são relativamente densos. Em relação às características mecânicas, os metais

são relativamente rígidos, resistentes, dúcteis e resistentes à fratura, o que torna

amplo o uso de metais em aplicações estruturais. Os materiais metálicos

possuem elevado número de elétrons não localizados (elétrons livres), e por isso,

são ótimos condutores de eletricidade e de calor. Sua superfície é brilhosa, e não

transparente (CALLISTER e RETHWISCH, 2012).

A cerâmica é dividida em cerâmica tradicional (louça, porcelana, tijolos,

telhas, azulejos), e cerâmica avançada (cimentos, abrasivos, refratários, vidros).

Possuem estrutura cristalina, mais complexa que a dos materiais metálicos. São

bons isolantes elétricos, pois o número de elétrons livres é pequeno, dificultando a

condutividade elétrica. Possuem ligações atômicas variáveis, podendo ser iônicas

até totalmente covalentes. O ponto de fusão é elevado, dispondo de boa

estabilidade em altas temperaturas. Sua dureza é elevada e resistente a ataques

químicos. São compostos por elementos metálicos e não metálicos, como por

exemplo, alumínio, silício, magnésio, berílio, titânio e boro. Juntamente com o

oxigênio, carbono e nitrogênio alguns formam óxidos (alumina), nitretos e

carnonetos (ZOLIN, 2010).

42

Os polímeros são moléculas de cadeia longa composta por vários

monômeros juntos. Exemplos familiares de polímeros são os materiais plásticos e

borrachas. Muitos desses são compostos orgânicos que possuem sua química

baseada no carbono, no hidrogênio e em outros elementos metálicos (por

exemplo O, N e Si). Possuem estruturas moleculares muitos grandes, com

elevada frequência na forma de cadeias, que geralmente possuem uma estrutura

composta por átomos de carbono. Alguns dos polímeros comuns são os

polietilenos (PE), náilon, cloreto de polivinila (PVC), policarbonato (PC),

poliestireno (PS) e a borracha silicone. Os polímeros possuem, em sua maioria,

baixa massa específica. Muitos materiais poliméricos são extremamente dúcteis e

flexíveis, permitindo conformar os mesmos em formatos complexos.

Quimicamente, em sua maioria, são relativamente inertes, não reagindo em um

grande número de ambientes. Tem como uma grande desvantagem a sua

tendência em amolecer e/ou decompor em temperatura não tão alta, o que limita

sua aplicação. Os polímeros possuem baixa condutividade elétrica e não são

magnéticos (SHACKELFORD, 2008; CALLISTER e RETHWISCH, 2012).

Para Shackelford (2008) nenhum material está mais associado à

engenharia do que o metal, tal como o aço estrutural. A maioria das ligas ferrosas

é de aços carbono e aços de baixa liga, e o motivo é por conta de seu preço

moderado, devido à ausência de elevadas quantidades de elementos de liga, e

são relativamente dúcteis para serem conformados. O produto final é durável e

forte. Estes são aplicados desde esferas de rolamentos até chapas de metal

conformadas na fuselagem de automóveis.

Pinheiro (2005) diz que a fabricação dos aços estruturais dá-se conforme

as propriedades químicas e/ou mecânicas requeridas no produto final. Tais

propriedades se relacionam com o conceito de metal, podendo ser citados como

exemplo, o brilho do metal, boa condutibilidade térmica e elétrica, opacidade,

ductilidade, entre outras.

É possível obter uma vasta gama de propriedades mecânicas alterando a

composição dos aços e aplicando tratamentos mecânicos e térmicos. Na seleção

43

da composição dos aços é indispensável que todos os aços analisados

apresentem módulo de elasticidade igual (JUVINALL; MARSHEK, 2013).

Pinheiro (2005) diz que tanto nos aços-carbonos, quanto nos aços de

baixa liga, é possível à realização de tratamentos térmicos, onde terão suas

propriedades mecânicas modificadas.

Para Pfeil, W. e Pfeil, M. (2009), os tipos de aços mais utilizados são os

aços-carbono, onde a elevação da resistência mecânica, quando relacionado ao

ferro puro, é produzido pelo carbono e manganês. Outros elementos adicionais

também constituem os aços, as porcentagens máximas desses elementos podem

ser representadas no Quadro 1.

Quadro 1: Elementos que constituem os aços-carbono.

Elemento Percentual

Carbono 20%

Silício 0,60%

Manganês 1,65%

Cobre 0,35%

Fonte: Pfeil W. e Pfeil M., 2009

Pfeil, W. e Pfeil, M. (2009), ainda classificam o aço-carbono de acordo

com o teor de carbono, representada no Quadro 2.

Quadro 2: Categorias do aço-carbono de acordo com o teor de carbono

Categoria Teor de Carbono

Baixo Carbono C < 0,29%

Médio Carbono 0,30% < C < 0,59%

Alto Carbono 0,60% < C < 2,0%

Fonte: Pfeil W. e Pfeil M., 2009

Para Juvinall e Marshek (2013), quando as características da função e

aplicação de um componente a ser fabricado são conhecidas, a seleção do

material é baseada em alguns fatores, e caso não sejam utilizados, a função do

44

material, sua vida operacional e o custo de seus componentes podem ser

comprometidos. Tais fatores são:

a) Disponibilidade do material, com formas e tipos requeridos;

b) Custo total, incluindo os iniciais e futuros, levando em consideração a

necessidade de redução de custos;

c) Propriedades necessárias para atender aos requisitos que se almejam

alcançar, além dos limites das mesmas;

d) Processos realizados no material com a finalidade de produzir o

acabamento final;

e) Questões de saúde e legais.

3.2 Aplicações do Aço

O Centro Brasileiro da Construção em Aço, CBCA (2017) alega que

existem mais de 3500 tipos de diferentes aços, sendo que cerca de 75% deles

foram desenvolvidos nos últimos 20 anos. Isso é decorrente do amplo

desenvolvimento que o setor tem experimentado.

A fabricante AÇOBRIL (2013) afirma que existem diversas aplicações

para o aço, algumas delas são:

a) Construção Naval e Plataformas Marítimas: Os aços desta classe são

destinados à fabricação de cascos de navios em embarcações em geral, como

também aos variados tipos de estruturas oceânicas, nas quais a exigência de

garantia de propriedades mecânicas na soldagem é desejada;

b) Resistente à Corrosão Atmosférica: São aços patináveis, de excelente

resistência à corrosão atmosférica, com aplicações diversas, tais como pontes,

implementos agrícolas, edifícios, mineração, vagões, entre outros. Possui como

característica a boa soldabilidade e excelente aderência na aplicação da pintura;

c) Caldeiras e Vasos de Pressão: Estes são destinados à fabricação de vasos

de pressão e caldeiras, se enquadram conforma as condições de temperatura,

pressão de trabalho e a faixa de resistência mecânica. Possui como principais

45

características a versatilidade de desempenho quanto a temperatura e boa

soldabilidade. A redução dos valores de limite de escoamento em função da

temperatura na operação deve ser levada em consideração na seleção do aço;

d) Estruturais: Tem como aplicação a fabricação de componentes estruturais

de pontes, edifícios, galpões, torres eólicas, máquinas agrícolas e implementos

rodoviários. Estão disponíveis nas classes de média e alta resistência mecânica,

disponibilizando características elevadas de conformação, tenacidade, e boa

soldabilidade.

e) Implementos Rodoviários, Agrícolas e Tratores: Possuem bom

desempenho em conformabilidade, resistência à fadiga e soldabilidade. São aços

de média e alta resistência, aplicados especialmente em travessas, chassis, eixos

de máquinas agrícolas, tratores, longarinas e implementos rodoviários.

f) Resistentes ao Desgaste: Estes apresentam boa soldabilidade, são

atribuídos a serviços de alto desgaste mecânico, possuindo como principal

característica a dureza elevada. São aplicados em tratores, retroescavadeiras,

caçambas de caminhões fora de estrada, tremonhas, revestimentos de calhas,

transportadores de minério, peças de altos-fornos e ventiladores industriais.

3.3 Tensão e Tipos de Solicitações

As estimativas de tensões são baseadas nas propriedades do material do

qual a peça será feita (BUDYNAS; NISBETT, 2011).

Tensão é a relação entre intensidade de um esforço interno sobre um

plano em especifico, em um determinado ponto. Caso a tensão seja perpendicular

ao plano, é denominado de tensão normal (Figura 19) (HIBBELER, 2010).

46

Figura 19: Tensão Normal

Fonte: Adaptado de Hibbeler (2010)

A Equação 9 expressa a tensão normal média para corpos sob

carregamentos uniaxiais (Tração ou Compressão), conforme é mostrado na

Figura 20 (HIBBELER, 2010).

Figura 20: Carregamento Uniaxial de Tração e Compressão


σ = P

A

(9)

Onde:

σ: tensão normal média

P: força normal interna resultante

A: área da seção

Caso a tensão seja tangencial ao plano, é denominado de tensão de

cisalhamento (Figura 21) (HIBBELER, 2010).

47

Figura 21: Tensão Cisalhante


A Equação 10 expressa a tensão de cisalhamento média (HIBBELER,

2010).

τméd = V

A

(10)

Onde:

τméd: tensão de cisalhamento média

V: força de cisalhamento interna resultante

A: área da seção

A distribuição da tensão não é sempre uniforme (Figura 22) (HIBBELER,

2010).

Figura 22: Distribuição da Tensão Cisalhante Fonte: Hibbeler (2010)

Para obter a tensão cisalhante em qualquer ponto da seção transversal,

deve se usar a Equação 11 (HIBBELER, 2010).

τ = V.Q

I.t

(11)

48

Onde:

τ : tensão de cisalhamento

V: força de cisalhamento interna resultante

Q: momento estático

I: momento de inércia da área da seção transversal inteira

t: largura da área da seção transversal

A flexão ocorre quando um corpo é submetido a momentos fletores M e

M’, iguais e opostos atuando em mesmo plano longitudinal (Figura 23) (BEER et

al, 2011).

Figura 23: Corpo sob Flexão


Para M>0, a linha AB diminui o comprimento (compressão), e a linha A’B’

aumenta o comprimento (tração). Nestes casos, a deformação específica e a

tensão são negativas na parte superior do corpo e positivas na parte inferior

(BEER at al, 2011).

Beer et al (2011) especificam a Equação 12 para o cálculo da Flexão.

σ = M.y

I

(12)

Onde:

σ: tensão normal

M: momento fletor

y: distância entre do ponto em análise até a linha neutra

I: momento de inércia da seção transversal

49

A torção ocorrerá quando um corpo for submetido a momentos de torção,

ou torques, T e T’, de mesma intensidade e sentidos opostos (Figura 24) (BEER

et al, 2011).

Figura 24: Corpo sob Torção


A secção transversal encontra-se sob tensão de cisalhamento, tendo

distribuição linear em relação ao raio, sendo nulo no centro e máximo na

superfície externa. A Equação 13 expressa cálculo de Torção (BEER et al, 2011).

τ = T.r

J

(13)

Onde:

τ: tensão cisalhante

T: momento torçor

r: raio do ponto desejado

J: momento polar de inércia

3.4 Deformação

Quando um corpo é submetido a um esforço, o mesmo tende a sofrer

uma alteração nas suas dimensões. Estas alterações dimensionais, quando é

expressa em termos percentuais (relativo às dimensões originais), são

denominadas de deformação. A deformação para carregamentos axiais é

expressa pela Equação 14 (HIBBELER, 2010; BEER et al, 2011).

ε = ∆l

l0

(14)

50

Onde:

ε: Deformação

∆l: Variação do Comprimento

l0: Comprimento Inicial

Hibbeler (2010) diz que a alteração que ocorre no ângulo entre dois

segmentos de reta, onde inicialmente eram perpendiculares um ao outro, é

chamada de deformação por cisalhamento. Esta pode ser representada na Figura

25.

Figura 25: Deformação por Cisalhamento em um Plano

Fonte: Adaptado de Basso (2014)

Nos carregamentos cisalhantes, a força tenderá a inclinar o plano,

gerando um ângulo γ em relação ao plano original. As linhas tracejadas

demonstram a deformação gerada no plano devido a um esforço cisalhante. A

deformação por cisalhamento também é conhecida como distorção (HIBBELER,

2010; BEER et al, 2011).

3.5 Propriedades dos Materiais

A resposta à solicitação de um material se dá pelas propriedades

mecânicas deste. Módulo de elasticidade longitudinal e transversal, dureza

superficial, resistência ao escoamento e a ruptura, são alguns exemplos de

propriedades mecânicas (BASSO, 2014).

O módulo de elasticidade longitudinal (módulo de Young) é relacionado

entre a deformação e a tensão, onde a mesma representa a rigidez do material. A

51

Equação 15 expressa a Lei de Hooke, para estados unixiais de tensão

(HIBBELER, 2010; BEER et al, 2011).

σ = E.ε (15)

Onde:

σ: Tensão Normal

E: Módulo de Young

ε: Deformação

Para casos, onde as tensões estão no estado multiaxiais, a lei de Hooke é

denominada de Generalizada, e a mesma é expressa pela Equação 16

(HIBBELER, 2010; BEER et al, 2011).

εx = 1

E[σx - ν .(σy + σz)]

(16)

Onde:

εx: Deformação no eixo X

E: Módulo de Elasticidade Longitudinal (Módulo de Young)

σx: Tensão normal no eixo X

ν: Coeficiente de Poisson

σy: Tensão normal no eixo Y

σz: Tensão normal no eixo Z

Assim como o módulo de elasticidade longitudinal representa a rigidez do

material em estados axiais, o módulo de elasticidade transversal irá representar a

rigidez do material à distorção. A Equação 17 expressa a relação entre a tensão

de cisalhamento, a distorção e o módulo de elasticidade transversal (HIBBELER,

2010; BEER et al, 2011).

τ = G.γ (17)

52

Onde:

τ: Tensão Cisalhante

G: Módulo de Elasticidade Transversal

γ: Deformação angular (Distorção)

O coeficiente de Poisson é outra propriedade do material que interfere no

padrão de deformação. Ele é expresso pela Equação 18, demonstrando a razão

entre a deformação longitudinal (no sentido da força) e a deformação lateral

(HIBBELER, 2010).

ν = εlat

εlong

(18)

Onde:


εlat: Deformação Lateral (perpendicular ao sentido da força)

εlong: Deformação Longitudinal (no mesmo sentindo da força)

Relacionando o coeficiente de Poisson, o módulo de elasticidade

longitudinal e o módulo de elasticidade transversal, a obtenção destas

propriedades se torna fácil, por meio de um ensaio de tração. Assim é gerada a

Equação 19 (BASSO, 2014).

G = E

2.(1 - ν)

(19)

Onde:

G: Módulo de Elasticidade Transversal

E: Módulo de Elasticidade Longitudinal (Módulo de Young)


Os limites de resistência ao escoamento e resistência mecânica são

outras propriedades do material importantíssimas para projetos mecânicos. O

53

limite de resistência ao escoamento em tração (Sy ou σy) é a tensão onde o

material entra em regime plástico de deformação. O limite de resistência

mecânica em tração (Sut ou σut) é a tensão onde o material começa a desenvolver

um processo de falha. O limite de escoamento e a resistência mecânica em

cisalhamento puro (Sys ou σys) e (Sus ou σus), respectivamente, são semelhantes

aos correspondentes em tração (BUDYNAS; NISBETT, 2011).

Há correlações entre os limites em resistência em tração e em

cisalhamento. Estes limites de resistências são determinados por meios de um

ensaio de tração, que nem sempre é de fácil acesso, levando em consideração o

custo relativamente elevado do equipamento (NORTON, 2013).

De forma alternativa, podem ser realizados ensaios de dureza, os quais

se relacionam bem com os ensaios de tração, sendo uma alternativa de menor

custo, para obter as propriedades mecânicas necessárias para o projeto. Além

disso, a dureza superficial de um material está relacionada à resistência ao

desgaste. (NORTON, 2013).

Existem diversos métodos para medição da dureza, como o Brinell,

Rockwell e Vickers são os mais comuns para medição de dureza em materiais

metálicos. Cada método possui suas próprias características e peculiaridades,

porém, todos apresentam a dureza calculada a partir da impressão de uma força

na superfície do metal (NORTON, 2013).

54

O Quadro 3 apresenta propriedades de alguns materiais (NORTON,

2013).

Quadro 3: Propriedades de Alguns Materiais

Material

E

[GPa]

G

[GPa]

ν

Sy

[MPa]

Sut

[MPa]

Dureza

Brinell

[HB]

Aço SAE 1020

laminado a quente

210 80 0.28 207 379 111

Aço SAE 4340

temperado e

revenido a 600 ºF

210

80

0.28

1586

1724

486

Alumínio 1100

laminado a frio

71 27 0,34 152 165 44

Náilon 6/6 1,4 - - 68,9 - -

Fonte: Adaptado de Norton (2013)

3.6 Solicitações Combinadas e Critérios de Falha

Na prática, são poucos componentes que apresentam apenas estados

uniaxiais de tensão. Os critérios de falhas existem para poder obter uma tensão

equivalente e comparar à resistência do material (BASSO, 2014).

Os principais critérios de falha para materiais dúcteis são o de Tresca e

de von Mises. Tresca é baseado no fato de que os materiais dúcteis falham

quando seu carregamento alcança a tensão máxima de cisalhamento suportado

pelo material. A tensão equivalente, onde o material suporta segundo o critério, é

expressa na Equação 20 (BUDYNAS; NISBETT, 2011; NORTON, 2013).

σeq = σ1 - σ3 = 2.τmax (20)

55

Onde:

σeq: Tensão normal Equivalente

σ1: Tensão normal no ponto 1


τmax: Tensão máxima de cisalhamento

O critério de von Mises (critério de máxima energia de distorção) é

baseado no fato que o elemento falhará quando a energia de deformação por

distorção alcançar ou ultrapassar o valor referente ao escoamento do material. A

tensão equivalente é expressa pela Equação 21 (NORTON, 2013; JUVINALL;

MARSHEK, 2013).

σ'eq = √(σ1-σ2)2 + (σ1-σ3)2 + (σ2-σ3)2

2 =

√(σx-σy)2 + (σy-σz)

2+ (σz-σx)2 + 6.(τ2

xy+τ2yz+τ2

zx)

2

(21)

Onde:

σ'eq: Tensão normal equivalente de von Mises




σx: Tensão normal no eixo X

σy: Tensão normal no eixo Y

σz: Tensão normal no eixo Z

τxy: Tensão cisalhante nos eixos X e Y

τyz: Tensão cisalhante nos eixos Y e Z

τzx: Tensão cisalhante nos eixos Z e X

A Figura 26 representa a interseção do critério de Tresca (linha tracejado)

com o critério de von Mises (linha contínua), no plano σ1 x σ3 (BUDYNAS;

NISBETT, 2011).

56

Figura 26: Comparação entre critérios de Tresca e von Mises

Fonte: Budynas e Nisbett (2011)

A geometria do critério de Tresca, no gráfico, se encontra dentro da

geometria do critério de von Mises, logo, é possível afirmar que o critério de

Tresca é mais conservador, comparado ao de von Mises, e por isso, o de von

Mises é mais utilizado. Ambos os critérios assumem que o estado de tensão não

falhará, caso o valor esteja localizado no interior da geometria no gráfico

(BUDYNAS e NISBETT, 2011).

3.7 Desgaste

Desgaste é um termo, genérico, que se baseia nas falhas que englobam a

alteração da superfície de um corpo. Todo componente que não falhe por

rompimento, terá o final de sua vida determinado pelo desgaste. Desgaste pode

ser definido como a perda de material das superfícies de um elemento que ocorre

devido o contato de rolamento ou deslizamento entre duas superfícies (Figura 27)

(NORTON, 2013; RABINOWICZ, 1995).

Figura 27: Contato real entre duas superfícies

Fonte: Norton (2013)

Existem cinco métodos de desgaste: desgaste adesivo, desgaste

abrasivo, erosão, desgaste por corrosão e fadiga superficial (NORTON, 2013).

57

No desgaste adesivo, devido à força de tração entre os átomos, os picos

de rugosidade de superfícies em contato se aderem. Quando as superfícies são

postas em movimento, ocorre a quebra dos picos fazendo com que se aderem à

outra superfície, ocasionando no arranhamento (NORTON, 2013; RABINOWICZ,

1995).

A aderência dos materiais é definida pela compatibilidade metalúrgica, ou

seja, se dois materiais são compatíveis, o deslizamento entre ambos acarretará

em um grande arrancamento de material, enquanto materiais incompatíveis

poderão deslizar entre si com pequena intensidade de arrancamento de material

(NORTON, 2013).

Norton (2013) expressa a Equação 22 como referente à profundidade de

desgaste adesivo.

d = k.F.l

H.Aa

(22)

Onde:

d: Profundidade de desgaste

k: Coeficiente de desgaste

F: Força normal

l: Comprimento de deslizamento

H: Dureza à penetração

Aa: Área aparente de deslizamento

O Coeficiente de desgaste (k) é uma propriedade adimensional que

depende dos tipos de materiais da superfície e das condições de lubrificação. A

Figura 28 apresenta um gráfico para a obtenção de valores de coeficiente de

desgaste por adesão (NORTON, 2013).

58

Figura 28: Valores para coeficiente de desgaste por adesão em função do tipo de material e estado de lubrificação Fonte: Norton (2013)

Os valores de k são tabelados de forma empírica e mostram um desvio

considerável para as mesmas condições. É recomendado, sempre que possível,

fazer um ensaio de desgaste do projeto real (NORTON, 2013).

A lubrificação é um fator importantíssimo para amenizar os danos

ocasionados pelo desgaste. A adesão ocorrerá somente em superfícies limpas

(livres de contaminantes), logo, um filme de lubrificante entre as superfícies que

estão em contatos isolará os materiais (RABINOWICZ, 1995).

O desgaste por abrasão pode ocorrer entre dois ou três corpos. Este

desgaste é definido como a remoção de material de uma superfície em uma

proporção controlada ou não. O acabamento das superfícies em contato, tamanho

e dureza das partículas influenciam no desgaste por abrasão. Quanto melhor

trabalhado o acabamento superficial das peças em contato, menor será a

probabilidade de ocorrer o desgaste por abrasão. Alguns processos de usinagem

são baseados neste princípio, como a retificação e o esmerilhamento. O

coeficiente de desgaste por abrasão k é apresentado no Quadro 4. (NORTON,

2013; RABINOWICZ, 1995).

59

Quadro 4: Coeficiente de desgaste k por abrasão

Superfície Lima Lixa Fina

Nova

Partículas Abrasivas

Soltas

Polimento

Grosseiro

Seca 5 x

10-2

10-2

10-3

10-4

Lubrificada 10-1

2 x 10-2

2 x 10-3

2 x 10-4

Fonte: Adaptado de Norton (2013)

Gentil (1996) considera o desgaste por corrosão como o inverso do

processo metalúrgico, onde o objetivo principal é a extração do metal a partir dos

minérios e outros compostos. O processo de corrosão tende a oxidar o metal, e

muitas vezes, o produto corroído de um metal é similar ao minério que

originalmente foi extraído. A definição de corrosão é expressa como a

deterioração de um corpo, normalmente metálico, por meios de ação química ou

eletroquímica, do meio ambiente, tendo ou não esforços mecânicos.

Norton (2013) afirma que o método mais comum de corrosão é a

oxidação. Neste, o metal reage com a atmosfera criando óxidos. Em alguns

metais, a oxidação é limitada, onde se não houver perturbação, não ocorrerá o

crescimento da região oxidada. Um exemplo que pode ser citado é o alumínio,

que quando está em contato com o ar cria uma camada de oxido de alumínio de

0.02 μm, fazendo a reação cessar. Já em exemplos como o ferro, a região

oxidada se torna frágil e porosa, e a mesma é desprendida do restante do metal

com facilidade, expondo uma superfície nova ao contato com o ar.

4. ELEMENTOS DE MÁQUINAS

Diversos são os componentes empregados em máquinas e

equipamentos. De acordo com a sua aplicação, eles podem ser denominados de

elementos de fixação, apoio, flexíveis, transmissão, etc. (FRANCESCHI e

ANTONELLO, 2014).

60

4.1 Elementos de Fixação

Fransceschi e Antonello (2014) consideram os elementos de fixação

como de fixação permanente (diversos tipos de rebites e soldas) e móveis

(parafusos, porcas e arruelas). Os elementos de fixação móveis são empregados

quando existe a necessidade da desmontagem para manutenção, ou para troca

de peças. Estes podem ser colocados e retirados do conjunto sem que haja dano

às peças que foram unidas, diferente dos elementos de fixação permanente.

Fransceschi e Antonello (2014) afirmam que o parafuso, dentre os

elementos de fixação, é o mais utilizado. Para Budynas e Nisbett (2011), o

parafuso de rosca helicoidal foi uma invenção mecânica extremamente

importante, pois além de elemento de fixação, ele é a base do parafuso de

potência, o qual transforma o movimento angular em movimento linear, para

assim, transmitir potência ou desenvolver grandes forças (prensas, macacos,

etc.). A terminologia de roscas é ilustrada na Figura 29.

Figura 29: Terminologia de roscas Fonte: Budynas e Nisbett (2011)

Budynas e Nisbett (2011) explicam que:

a) O diâmetro maior: É o maior diâmetro de uma rosca de parafuso;

b) O diâmetro menor (ou de raiz) dr: É o menor diâmetro de uma rosca de

parafuso;

c) O diâmetro de passo: É um diâmetro teórico entre os diâmetros maior e

menor;

61

d) O avanço dp: este não é mostrado. É a distância que a porca se move

paralelamente ao áxis do parafuso, quando a porca completa uma volta. Para

uma rosca única, como é o caso da Figura 29, o avanço é o mesmo que o passo.

Fransceschi e Antonello (2014) afirmam que são várias as classificações

dos tipos de roscas, dentre elas, as mais comuns são as triangulares (métrica,

whirtworth, americana), dentes de serra, redondas, quadradas e trapezoidais.

4.2 Elementos de Apoio de Fixação

Os elementos de apoio de fixação são denominados de mancais, buchas

e guias (FRANCESCHI e ANTONELLO, 2014).

Os Mancais são projetados para suportar cargas radiais puras, cargas de

empuxo somente ou uma combinação dos dois tipos. Eles podem ser divididos

em mancais de deslizamentos ou mancais de rolamento (BUDYNAS e NISBETT,

2011).

Melconian (2008) denomina mancais de deslizamento como um conjunto

de eixo-casquilho, ilustrado na Figura 30.

Figura 30: Conjunto de eixo-casquilho Fonte: Melconian (2008)

O movimento giratório é desenvolvido pelo eixo, apoiado no casquilho de

geometria circular, o qual é separado por uma película de lubrificante. A principal

62

função deste tipo de mancal é para servir de apoio e guia para eixos girantes

(MELCONIAN, 2008; FRANCESCHI e ANTONELLO, 2014).

Os mancais de rolamento são descritos como uma classe de mancais na

qual a carga principal é transferida por elementos de contato por rolamento, ao

invés de contato por deslizamento. Estes são classificados em esferas, rolos e

agulhas, ilustrados na Figura 31 (BUDYNAS e NISBETT, 2011; SILVA et al,

2018).

Figura 31: Mancais de: (a) Esferas; (b) Rolos; (c) Agulhas Fonte: da Silva et al (2018)

Outro elemento de apoio de fixação é a bucha, ilustrada na Figura 32.

Estas podem possuir formatos cilíndricos ou cônicos, servindo de apoio para

eixos, além de guiar brocas e alargadores (FRANCESCHI e ANTONELLO, 2014).

Figura 32: Bucha acoplada à peça e ao eixo Fonte: Franceschi e Antonello (2014)

Sua aplicação está relacionada com uma fixação segura e de fácil

montagem e desmontagem em volantes, polias, engrenagens, conjuntos de

freios-embreagem, manivelas, em eixos ou pinos, sem que haja a necessidade de

rasgos ou chavetas. Em alguns casos, como quando o eixo desliza dentro da

bucha, deve haver lubrificação (FRANCESCHI e ANTONELLO, 2014).

63

Franceschi e Antonello (2014) citam como outro elemento de apoio de

fixação as guias. Estas são elementos de máquinas que sustentam, com bastante

vigor, o trajeto de determinadas peças. A Figura 33 ilustra um exemplo de trilho,

que o mesmo serve de guia para a porta corrediça.

Figura 33: Guia de porta corrediça Fonte: Franceschi e Antonello (2014)

4.3 Eixo

O eixo é um componente rotativo, normalmente de seção transversal

circular, utilizado para transmitir potência ou movimento. Ele é responsável pelo

áxis de rotação, ou oscilação, de elementos como engrenagens, polias, volantes,

manivelas, rodas dentadas, entre outros elementos similares. São considerados

como um dos principais elementos de transmissão, pois estão sempre presentes,

em praticamente, todas as partes de máquinas rotativas. A Figura 34 ilustra a

visão lateral de um ventilador, evidenciando o eixo (BUDYNAS e NISBETT, 2011;

NORTON, 2013).

Figura 34: Visão lateral evidenciando o eixo Fonte: Budynas e Nisbett (2011)

64

A partir de princípios básicos é possível determinar a Equação 23 como a

que expressa à potência transmitida através de um eixo. A potência instantânea é

o produto do torque e da velocidade angular, isso em qualquer sistema rotativo

(NORTON, 2013).

P = T.ω (23)

Onde:

P: Potência instantânea

T: Torque

ω: Velocidade angular

5. HIDRÁULICA

A hidráulica é uma palavra que vem do grego, derivada de hydra (água) e

aulos (condução, aula, tubo). Este é o ramo da física que estuda o

comportamento de fluidos dinâmicos (hidrodinâmica) e fluidos estáticos

(hidroestática). Quando alinhados de maneira adequada, os componentes

hidráulicos podem realizar trabalho. (FIALHO, 2013; LINSINGEN, 2011).

5.1 Pressão

A pressão é uma grandeza relevante no estudo dos fluidos em trabalho.

De acordo com o princípio de Pascal, a variação de pressão provocada em um

ponto de um líquido em equilíbrio se transmite integralmente a todos os pontos do

líquido e das paredes do recipiente que o contêm. A Figura 35 ilustra um

dispositivo hidráulico com a finalidade de aumentar a força de uma seção,

aumentando a área da mesma, uma vez que a pressão é constante (HALLIDAY;

RESNICK; WALKER, 2009).

65

Figura 35: Dispositivo Hidráulico usado para aumentar força Fonte: Halliday; Resnick; Walker, 2009

Fialho (2013) define, em termos de hidrostática, a pressão como uma

força sendo exercida pelo fluido por unidade de área do recipiente que o

armazena. Assim, é expressa a Equação 24.

p = F

A

(24)

Onde:

p: Pressão

F: Força

A: Área

5.2 Massa Específica

A massa específica de um fluído é um quociente entre a razão da massa

do fluído com o seu volume. Com isso, têm-se a Equação 25 (HALLIDAY;

RESNICK; WALKER, 2009).

ρ = m

V

(25)

Onde:

ρ: Massa específica

m: Massa

V: Volume

66

5.3 Vazão

A vazão é definida como sendo o volume de um fluido descarregado pela

bomba por unidade de tempo (Equação 26). Também pode ser expressa como o

produto entre a velocidade com que o fluido se desloca em uma tubulação e sua

seção transversal (Equação 27) (FIALHO, 2013).

Q = V

t

(26)

Q = A . v (27)

Onde:

Q: Vazão

V: Volume

t: Tempo

A: Área da seção transversal da tubulação

v: Velocidade

5.4 Componentes de Sistemas Hidráulicos

Para que o resultado de um sistema hidráulico seja satisfatório, é

necessário que componentes dedicados à determinada atividade estejam

instalados de forma adequada para gerar trabalho. As formas e necessidades são

definidas de acordo com as exigências do projeto. Podem ser utilizados

movimentos circular ou linear por via de atuadores hidráulicos, de torque por

motores, de velocidade ou força com auxilio de válvulas, além dos instrumentos e

da unidade de potência (FIALHO, 2013).

5.4.1 Atuadores Hidráulicos

Bordignon (2012) diz que são diversos os tipos de atuadores hidráulicos,

e com isso, permitem diversas ações. Estes podem ser classificados em

67

atuadores lineares, rotativos e osciladores. A Figura 36 ilustra atuadores

hidráulicos do tipo linear, rotativo e oscilador, respectivamente.

Figura 36 – Atuadores Hidráulicos: (a) Cilindro; (b) Motor; (c) Oscilador Fonte: Parker Training (1999)

Os cilindros são atuadores lineares, pois o trabalho desenvolvido é

realizado em uma direção linear (FIALHO, 2013).

Os motores hidráulicos são atuadores rotativos, pois os movimentos são

de rotação contínua (BORDIGNON, 2012).

Os atuadores do tipo oscilador possuem esta definição, pois a execução

do seu movimento é semi-rotativa, executando uma volta incompleta

(BORDIGNON, 2012).

5.4.2 Válvulas

É impossível o funcionamento de uma instalação hidráulica sem válvulas.

A seleção do tipo de válvula a ser utilizada deve ser criteriosa, pois a escolha

inapropriada pode ocasionar na perda de carga do sistema. A instalação deve

operar com o mínimo de válvulas que permita o bom funcionamento. Os tipos de

válvulas variam de acordo com as aplicações, e elas podem ser de bloqueio,

controle de fluxo, controle direcional e controle de pressão (SANTOS, 2007).

5.4.3 Manômetro

A diferença entre a pressão real e a pressão atmosférica é chamada de

pressão manométrica. Esta pressão é aferida por um instrumento chamado de

manômetro, e este, muitas vezes, utiliza a pressão atmosférica como nível de

68

referência para medir a diferença entre a pressão real e a pressão atmosférica

(FIALHO, 2013).

5.4.4 Bombas

As bombas são equipamentos geratrizes cujo objetivo é realizar o

deslocamento de um fluído no estado líquido por meio de escoamento. Por se

tratar de um equipamento geratriz, as bombas transformam o trabalho mecânico

que recebem para a sua operação em energia, que é comunicada ao líquido sob

as formas de energia de pressão e cinética. As bombas são classificadas em

bombas de deslocamento positivo (volumógenas), turbobombas (hidrodinâmicas),

bombas especiais (bombas com ejetor, pulsômetros, bomba de emulsão de ar)

(MACINTYRE, 1997).

5.4.5 Filtros

A fabricante Parker Training (1999) afirma que não pode ser descartado o

uso de elementos filtrantes nos sistemas hidráulicos. Mais de 75% das falhas que

ocorrem nos sistemas hidráulicos e de lubrificação são ocasionados por excesso

de contaminação. O maior problema da contaminação nos sistemas hidráulicos é

que ela interfere na lubrificação, e a falta desta causa o desgaste excessivo,

resposta lenta, operações não-sequenciadas, queima de dispositivos e falha

prematura de componentes.

6. MÁQUINAS DE DOBRAMENTO DE TUBOS

Russo Junior (1997) diz que no processo de dobramento de tubos, as

máquinas utilizadas são similares as de dobramento de barras, e ele classifica em

três categorias:

a) Dobramento por rotação;

b) Dobramento por prensas hidráulicas;

c) Dobramento por rolagem de tubos.

69

6.1 Dobramento por Rotação

González (2000) diz que esse tipo de operação inclui as máquinas de

dobramento por tração, compressão ou estiramento. São limitadas a operar em

tubos com de diâmetro entre 3 a 12 polegadas, e com espessura mínima de ¼ de

polegada.

6.2 Dobramento por Prensas Hidráulicas

González (2000) diz que nas prensas hidráulicas são incluídas as

máquinas de dobramento por estiramento e compressão. São frequentemente

utilizadas para dobramento de tubos, porém, podem ser utilizadas também para

dobramento de barras. A vantagem desse processo, é que o operador pode

interromper o processo a qualquer momento, dependendo apenas de sua

necessidade. A figura 37 ilustra os principais componentes da máquina de

dobramento por prensa hidráulica.

Figura 37: Principais componentes da máquina de dobramento por prensa hidráulica


Ao ser pressionado o pistão hidráulico contra o tubo, as castanhas são

forçadas a girar, sendo realizado o dobramento. O raio de dobramento é

determinado pela posição das castanhas (GONZÁLEZ, 2000).

É possível diversas combinações de posições relativas das castanhas,

permitindo assim vários raios. A operação pode ser feita em vários pontos do

70

tubo, possibilitando o controle do ângulo. Em casos mais complexos, é possível

utilizar mais de duas castanhas, realizando um dobramento simultâneo em

diferentes pontos do tubo (GONZÁLEZ, 2000).

González (2000) cita as principais vantagens deste processão são a

velocidade de dobramento e os diferentes ângulos e planos obtidos. Entretanto,

tem como principal desvantagem a pequena redução da espessura da parede do

tubo, onde o mesmo deve possuir certas tolerâncias, dependendo da utilização.

6.3 Dobramento por Rolagem de Tubos

Processo também é denominado de calandragem. São máquinas que

realizam a operação de dobramento através da rolagem dos tubos. O tubo é

adaptado aos cilindros, e graças à rotação dos mesmos, o tubo é dobrado,

assumindo formato de arcos, círculos ou hélices (GONZÁLEZ, 2000).

Por meio da calandragem são fabricadas serpentinas de trocadores de

calor para refrigeração. Um item que deve ser levado em consideração nessa

operação é o de manter boa tolerância dimensional nos contornos dos discos da

calandra, com a finalidade de minimizar, ou até mesmo evitar, o enrugamento ou

achatamento dos tubos calandrados (GONZÁLEZ, 2000).

71

CAPÍTULO II: ARTIGO CIENTÍFICO

72

PROJETO DE UMA MÁQUINA PARA CURVAR TUBOS PARA UTILIZAÇÃO NO PROJETO ISEBAJA

Marcus Vinícius da Silva Pinto Vieira¹* & Silas das Dores de Alvarenga¹

RESUMO

O Dobramento é um processo de conformação mecânica utilizado para conformar chapas e tubos. Devido à elevada rigidez, baixa massa, possibilidade de aplicações estéticas e por sua simplicidade, os perfis cilíndricos são muito utilizados na indústria. Um exemplo da necessidade de dobramento de perfis tubulares é na construção de estruturas veiculares como no projeto Baja SAE. Embasado neste

contexto, este trabalho propõe o desenvolvimento de uma máquina com acionamento hidráulico semiautomático, que será capaz de curvar tubos cilíndricos de diferentes diâmetros e com diferentes raios. Para isto, foram projetados sistemas hidráulico e mecânico, e após a elaboração, um modelo CAD foi feito a partir do software SolidWorks .

Palavras-chave: Dobramento de Tubo; Projeto de Máquina; Máquina de Curvar Tubo.

ABSTRACT

The bending process is a mechanical forming process used to form plates and tubes. Due to the high rigidity, low mass, possibility of aesthetic applications and for its simplicity, the cylindrical pipes are very used in the industry. An example of the need for bending of tubular profiles is in the construction of vehicular structures as in the Baja SAE project. In this

context, this work proposes the development of a machine with semi-automatic hydraulic drive, which will be able to bend cylindrical tubes of different diameters and with different radii. Hydraulic and mechanical systems were designed, and after elaboration, a CAD model was made from the SolidWorks software

Keywords: Folding Sheath; Machine Design; Pipe Bending Machine.

1Institutos Superiores de Ensino do CENSA – ISECENSA - Laboratório de Química e Biomoléculas

– Rua Salvador Correa, 139, Centro, Campos dos Goytacazes, RJ, CEP: 28035-310, Brasil;

(*)e-mail: [email protected]

73

1. INTRODUÇÃO

A conformação mecânica é um processo de fabricação que tem como finalidade alterar a forma de um material, até atingir o formato requerido. Os principais processos de conformação são a laminação, forjamento, trefilação, extrusão e dobramento.

A maioria dos processos de conformação mecânica tem como grande vantagem

a possibilidade de melhorar as propriedades mecânicas do material apenas alterando o processo (por exemplo, um processo a frio aumentaria a resistência mecânica) (CHIAVENIRI, 1986).

Um perfil muito utilizado na indústria, por questões geométricas em termos

estruturais são os tubos cilíndricos. Estruturas veiculares, dutos (de petróleo, gasodutos), móveis metálicos e estruturas tubulares em geral são alguns exemplos que mostram a necessidade do desenvolvimento de máquinas que possam conforma-los.

Basso (2014) diz que a máquina para a operação de dobramento de perfis

tubulares necessita permitir o manuseio dos parâmetros de processo, como: raio de dobra e ângulo de dobramento. Além disso, deve ter uma grande aplicabilidade para dobramento de tubos de diversos diâmetros (sendo, por exemplo, pelo meio de troca de matrizes). É fundamental que a máquina realize dobra rápida, uniforme e sem defeitos, independente do trabalho ser manual ou automatizado.

Por vezes, os alunos do ISECENSA precisam conformar peças tubulares, sejam

para construção de projetos de Trabalho de Conclusão de Curso ou mesmo para a fabricação do BAJA SAE, e atualmente na instituição não existe uma máquina para realização dessa operação, tendo que ser feita por terceiros. Desta forma, é viável o projeto de uma máquina de dobramento de tubos, para atender a esta demanda. 1.1 Objetivos Gerais

O objetivo geral deste trabalho é desenvolver o projeto de uma máquina de

curvar tubos, com acionamento hidráulico, para curvar tubos de diversos diâmetros (½”, ¾”, 1”; 1¼”, 1½”, 2”) em até 90º. 1.2 Objetivos Específicos

Quanto aos objetivos específicos, estão definidos como:

a) Definir propriedades mecânicas do tubo que será conformado pela máquina projetada; b) Dimensionamento do sistema hidráulico; c) Desenvolvimento de um modelo CAD, utilizando o software SolidWorks, dos componentes mecânicos d) Realização de cálculos analíticos dos componentes projetados; 1.3 Justificativas e relevâncias

O projeto da máquina tende a servir de modelo para a construção do equipamento, e este, terá o intuito de servir aos alunos e professores do ISECENSA.

Sua operação poderá ser utilizada para conformação de projetos de Trabalho de

Conclusão de Curso (TCC) e outros programas de engenharia, como o caso do BAJA

74

SAE, com a finalidade de conformar tubos de diversos diâmetros em ângulos variados. Além disso, poderá servir de apoio nas aulas práticas da disciplina de Processo de Fabricação, tendo em vista que haverá disponível na instituição mais um equipamento, especificamente, de conformação mecânica. 2. METODOLOGIA 2.1 Síntese do Projeto

Neste trabalho foi projetada uma máquina com acionamento hidráulico para curvar tubos, onde a mesma pode ser ilustrada no desenho representado pela Figura 38. O funcionamento da máquina consiste em acionar o atuador hidráulico, acoplado por uma matriz, por meio de uma válvula hidráulica, com a finalidade de curvar o tubo, encaixado nessa matriz, até que atinja o raio de curvatura necessário. Para o controle da força que estará sendo aplicada pelo atuador hidráulico, a pressão deverá ser ajustada e monitorado por um manômetro da unidade hidráulica.

1 – Estrutura 7 – Regulagem para tubos de 1¼”

2 – Matriz 8 – Regulagem para tubos de 1½”

3 – Atuador Hidráulico 9 – Regulagem para tubos de 2” 4 – Regulagem para tubos de ½” 10 – Rolete 5 – Regulagem para tubos de ¾” 11 – Pino 6 – Regulagem para tubos de 1”

Figura 38 – Desenho da Máquina

75

O fluxograma da Figura 39 apresenta as principais etapas deste trabalho.

Figura 39 – Fluxograma

2.2 O Tubo que será conformado

Para o projeto de construção da estrutura do BAJA SAE, foram selecionados

tubos de aço ASTM A36 como material. Segundo Callister e Rethwisch (2012), o limite de escoamento (laminado a quente) deste material varia de 220-250 MPa.

O fabricante Aços Continente disponibiliza uma tabela comercial, mostrando uma relação entre o diâmetro interno, espessura e massa teórica. O Quadro 5 representa esses dados para os diâmetros selecionados a serem trabalhados na máquina.

Quadro 5: Tubos Comerciais

Massa Teórica (kg/m)

Diâmetro interno (pol.)

Espessura (mm)

0,90 3,35 6,30

½“ 0,26 - -

¾” 0,40 - -

1” 0,54 - -

1¼” 0,68 2,35 -

1½” 0,83 2,87 -

2” 1,11 3,92 6,91

Fonte: Adaptado do catálogo da fabricante Aços Continente

A Equação 6 descreve o cálculo do momento fletor necessário para que haja dobramento em seções tubulares.

M = 1,5.π.(R

4-r4)

4R.σe

(6)

Onde: M: Momento fletor σe: Tensão de escoamento R: Raio externo r: Raio interno

76

A Figura 40 apresenta o local onde a força será aplicada no tubo. Dessa forma, a força necessária para que haja o dobramento é representada pela Equação 28.

Figura 40 - Representação da força sendo aplicada no tubo

F = M

(Ltubo / 2)

(28)

Onde: F: Força M: Momento fletor Ltubo: Comprimento do tubo entre os roletes

2.3 Sistema hidráulico

Segundo a National Fluid Power Association (N.F.P.A.) o sistema hidráulico deve

ser classificado de acordo com a Quadro 6.

Quadro 6: Classificação dos sistemas segundo N.F.P.A.

Pressão Classificação do Sistema bar psi

0 a 14 0 a 203,10 Sistemas de Baixa pressão

14 a 35 203,10 a 507,76 Sistemas de média pressão

35 a 84 507,76 a 1218,68 Sistemas de média-alta pressão

84 a 210 1218,68 a 3046,62 Sistemas de alta pressão

Acima de 210 Acima de 3046,62 Sistemas de extra-alta pressão

Fonte: Fialho (2013) 2.3.1 Atuador Hidráulico

Para dimensionamento de um atuador hidráulico linear, mais especificamente

um cilindro, é necessário que calcule a pressão de trabalho necessária, levando em consideração a perda de carga proveniente de sistemas hidráulicos. Faz-se uso da Equação 29 para o cálculo desta pressão.

PTb = η

t . PN (29)

Onde: PTb: Pressão de trabalho

ηt: Rendimento total

PN: Pressão nominal

77

O diâmetro necessário ao pistão é calculado pela Equação 30, onde é levado em consideração o rendimento do atuador a partir da perda de carga por atrito.

Dp = 2 √η

at . Fa

π.PTb

(30)

Onde:

Dp: Diâmetro do pistão

ηat

: Rendimento do atuador devido às perdas por atrito

Fa: Força de avanço

PTb: Pressão de trabalho

A pressão de trabalho será recalculada, após ser definido o diâmetro do pistão, e essa é representada pela Equação 31.

PTb = 4.Fa. η

at

π(

1

Dp2

) (31)

Onde: PTb: Pressão de trabalho Fa: Força de avanço η

at: Rendimento do atuador devido às perdas por atrito


O critério de Euler, para deformação por flambagem, deve ser considerado. É

necessário saber a altura máxima que a haste irá deslocar o tubo para deformá-lo. O limite de ângulo de dobramento é de até 90º, portanto, para o cálculo da altura, deve se considerar um triângulo retângulo isóscele e aplicar trigonometria, conforme pode ser demonstrado na Figura 41.

Figura 41 - Representação da altura de deslocamento para 90º

O dimensionamento da haste é representado pela Equação 32.

dh =√ 64 . S . λ

2 . Fa

π3 . E

4

(32)

Onde: dh: Diâmetro da haste S: Coeficiente de segurança λ: Comprimento livre de flambagem

Fa: Força de avanço E: Módulo de elasticidade

78

As velocidades de avanço e retorno são demonstradas pelas Equações 33 e 34,

respectivamente.

va = Lh

∆ta

(33)

Onde: va: Velocidade de avanço

Lh: Comprimento máximo do cilindro ∆ta: Tempo de avanço

vr = Lh

∆tr

(34)

Onde:

vr: Velocidade de retorno Lh: Comprimento máximo do cilindro ∆tr: Tempo de retorno

Faz-se necessário o cálculo das áreas do pistão e da coroa. Ambos são

expressos, respectivamente, pelas Equações 35 e 36.

Ap = π.Dp

2

4

(35)

Onde:

Ap: Área do pistão


Ac = π

4(Dp

2 - dh

2) (36)

Onde:

Ac: Área da coroa Dp: Diâmetro do pistão

dh: Diâmetro da haste A relação entre a área do pistão e da coroa deve ser calculada pela Equação 37.

r = Ap

Ac

(37)

Onde: r: Relação entre a área do pistão e da coroa

Ap: Área do pistão

Ac: Área da coroa Os cálculos da vazão induzida no avanço e no retorno são representados pelas

Equações 38 e 39, respectivamente.

79

Qia = va . Ac (38) Qia: Vazão induzida no avanço

va: Velocidade de avanço

Ac: Área da coroa

Qir = vr . Ap (39)

Onde: Qir: Vazão induzida no retorno

vr: Velocidade de retorno Ap: Área do pistão

A pressão induzida no avanço é descrita pela Equação 40.

Pia = Fa

Ac

(40)

Onde:

Pia: Pressão induzida no avanço Fa: Força de Avanço

Ac: Área da coroa 2.3.2 Bomba Hidráulica

O cálculo da pressão da bomba é necessário para a seleção do tipo de bomba a

ser utilizada no sistema hidráulico. Esta é apresentada pela Equação 41.

PB = Pia

r

(41)

Onde: PB: Pressão da bomba Pia: Pressão induzida no avanço r: Relação entre a área do pistão e da coroa

Para determinar a vazão da bomba, são necessárias as vazões induzidas de

avanço e de retorno, onde: Qir ≥ QB > Qia. Com esse dado, pode-se então calcular o deslocamento (cilindrada), o momento de torção absorvido, e a potência absorvida, representados respectivamente pelas Equações 42, 43 e 44.

Vg = 1000.QB

n . ηv

(42)

Onde: Vg: Deslocamento (cilindrada)

QB: Vazão da bomba n: Rotação η

v: Rendimento volumétrico

80

Mt = QB . ∆P

100 . ηmh

(43)

Onde: Mt: Torque absorvido QB: Vazão da bomba

∆P: Pressão da bomba η

mh: Rendimento mecânico-hidráulico

N = QB . ∆P

600 . ηt

(44)

Onde: N: Potência Absorvida

QB: Vazão da bomba ∆P: Pressão da bomba

ηt: Rendimento total (η

v x η

mh)

2.3.3 Válvula de Acionamento e Parada

O acionamento do avanço, retorno e parada do atuador hidráulico dependerá da

utilização de uma válvula 4/3 vias normalmente fechada. A Figura 42 mostra uma válvula deste tipo.

Figura 42 - Válvula 4/3 vias normalmente fechada e sua simbologia

Fonte: Adaptado de Argo-Hytos

2.3.4 Válvula Controladora de Fluxo

Para a redução da velocidade de avanço do atuador hidráulico com a finalidade

de operação de ajuste fino, uma válvula controladora de fluxo deve ser inserida no circuito hidráulico. A Figura 43 ilustra uma válvula controladora de fluxo.

Figura 43 - Válvula Controladora de Fluxo e sua simbologia

Fonte: Adaptado de Festo Didatic

81

2.3.5 Manômetro É importante a aplicação de um manômetro no circuito hidráulico, pois é

necessária a aferição dos valores de pressão, uma vez que a operação de dobramento depende diretamente da força aplicada no atuador hidráulico, e esta força está em função da pressão de trabalho. A Figura 44 ilustra um manômetro.

Figura 44 – Manômetro e sua simbologia

Fonte: Adaptado de Parker

2.3.6 Filtro A fim de preservar o sistema hidráulico de contaminações, um filtro mecânico de

retorno foi adicionado entre o retorno da válvula e o reservatório, com a finalidade de reter todo e qualquer tipo de contaminante insolúvel no fluido. O filtro mecânico é de vital importância para o sistema hidráulico, pois este é diretamente responsável pela vida útil do sistema.

2.4 Sistema Mecânico 2.4.1 Estrutura

A estrutura da máquina foi projetada com aço AISI 1006 laminado a quente. Em

sua base há quatro furos com rosca interna de 10 mm para encaixe de parafusos M10 x 1,5 mm que irão fixar o atuador hidráulico com a estrutura. A estrutura é ilustrada pela Figura 45.

Figura 45 – Estrutura

82

2.4.2 Roletes Para o projeto dos roletes, foi selecionado o aço AISI 1020 laminado a frio. O

rolete é apresentado na Figura 46.

Figura 46 – Rolete

2.4.3 Pinos

Os pinos foram projetados por uma liga de aço mais nobre, o AISI 4140 temperado em óleo e revenido à 315ºC, pois este componente da máquina sofre maiores esforços de flexão e cisalhante. Foi optado para que utilizasse pinos rosqueados para a fixação dos roletes com a estrutura da máquina. É importante ressaltar que a fixação das porcas sextavadas não deve ter aperto por meio de ferramentas, e sim utilizando apenas a mão do operador dando aperto suficiente até que a porca esteja faceada com a estrutura. Os esforços que serão realizados não serão intensos o suficiente para que ocorram as folgas consideráveis nos pinos, e além do mais, após a operação, as partes rosqueadas devem ser desmontadas. Este tipo de fixação foi escolhido para ser utilizada, pois esta possui uma fixação mais segura, e como as porcas sextavadas são elementos comercialmente fáceis de obter, caso haja a perda destes, a reposição não será um problema.

O tipo de perfil rosqueado selecionado foi o métrico e o dimensionamento foi

baseado na norma ABNT NBR ISO 724 (2004). As dimensões básicas do perfil métrico são demonstradas na Figura 47.

Figura 47 - Dimensões Básicas do Perfil

Fonte: ABNT NBR ISO 724 (2004)

Para o desenho do perfil da rosca, deve ser considerado um triângulo equilátero.

A altura do triangulo é calculada pela Equação 45.

H = d - d2

2 . 38⁄

(45)

Onde: H: Altura do triângulo equilátero d: Diâmetro nominal da rosca externa d2: Diâmetro do flanco da rosca externa

83

O Quadro 5 apresenta algumas dimensões de roscas disponibilizadas na NBR ISO 724 (2004).

Quadro 7: Dimensões Básicas de Roscas

Diâmetro Nominal – d (mm) Passo – P (mm) Diâmetro de Flanco – d2 (mm)

10 1,5 9,026

12 1,75 10,863

18 2,5 16,376

20 2,5 18,376

Fonte: NBR ISO 724 (2004) A Figura 48 apresenta o pino rosqueado.

Figura 48 – Pino Rosqueado

2.4.4 Matriz Por conta de sua geometria, as matrizes foram projetadas em ferro fundido

cinzento, para permitir sua fabricação por fundição. O tamanho das matrizes variará de acordo com o diâmetro do tubo a ser conformado pela máquina. A Figura 49 ilustra uma vista isométrica das matrizes.

Figura 49 – Vista Isométrica das Matrizes

Foram projetadas matrizes para conformação de tubos de ½”, ¾”, 1”; 1¼”, 1½” e

2”. Para o encaixe da haste do atuador hidráulico, na parte inferior das matrizes, há um furo central com diâmetro de 36 mm.

As matrizes para conformação de tubos de ½” e ¾” são de menor tamanho, e

essas possuem uma compensação maior nas laterais, para que os furos centrais de 36 mm na parte inferior possam existir. Os desenhos das matrizes para conformação de tubos de ½”, ¾”, 1”; 1¼”, 1½” e 2” podem ser vistos nos Apêndice D, Apêndice E, Apêndice F, Apêndice G, Apêndice H, Apêndice I, respectivamente.

84

2.4.5 Parafusos de Fixação

Serão utilizados quatro parafusos de classe 9,8 M10 x 1,5 mm sextavados para a fixação do atuador hidráulico com a base da estrutura. A Equação 46 descreve a força de tração suportada pelos parafusos.

F = σr . At (46)

Onde: F: Força de tração

σr: Resistência mínima de tração At: Área total Para determinar o torque a ser aplicado nos parafusos, é necessário calcular

antes o valor da carga de prova. Esta é determinada pela Equação 47.

Fp = At . Sp (47)

Onde: Fp: Carga de prova

At: Área total

Sp: Resistência de prova

O cálculo do torque a ser aplicado nos parafusos é determinado pela Equação

48.

T = Fi . K . d (48) Onde: T: Torque Fi: Carga de aperto K: Constante de atrito d: Diâmetro norminal da rosca

3. RESULTADOS E DISCUSSÕES 3.1 O Tubo que será conformado

Para o cálculo do momento fletor necessário, será considerado o tubo de maior

tamanho e espessura que a máquina poderá curvar, onde este apresenta diâmetro interno de 25,4 mm (2”) e espessura de 6,30 mm, ou raio interno de 25,4 mm e raio externo de 31,7 mm. O tubo é feito de aço ASTM A36, com tensão de escoamento de 250 MPa.

M = 1,5.π.(R

4-r4)

4R.σe =

1,5.π. {[(31,7 x 10-3

)]4- [(25,4 x 10

-3)]

4} . (250.10

6)

4.(31,7 x 10-3

) = 5514,87 N.m

A força resultante pelo momento fletor é a que será considerada como força de avanço do atuador hidráulico. Esta força resultante é calculada pela equação do momento de flexão. A distância entre o ponto fixo e a força pontual será a metade da distância entre dois roletes da máquina. Foi escolhido o valor de 550 mm entre a distância dos roletes, que é referente à operação para tubos de 2”.

85

F =M

Ltubo / 2 =

5514,87

(550 x 10-3

/ 2) = 20054,07 N

3.2 Sistema Hidráulico

O primeiro passo para dimensionar o sistema hidráulico é classificar o tipo de sistema. Este foi classificado como sistema de média-alta pressão, onde a pressão nominal é de 70 bar.

Para o cálculo da pressão de trabalho, foi considerado um rendimento de 65%

do sistema hidráulico, levando em consideração a perda de carga total.

PTb = ηt . PN = 0,65 . 70 = 45,5 bar = 45,5 . 10

5 N/m

3.2.1 Atuador Hidráulico

Conhecendo a força de avanço e a pressão de trabalho estimada, é possível dimensionar o diâmetro comercial necessário ao pistão. Devido às perdas de rendimento por atrito do êmbolo, para o dimensionamento, deve-se considerar um rendimento de 90%.

Dp = 2 . √η

at . Fa

π.PTb

= 2 . √0,90 . 20054,07

π . (45,5 . 105)

= 0,07107 m = 71,07 mm

Comercialmente, não existem cilindros hidráulicos com o pistão de diâmetro de

71,07 mm, porém, existe de 80 mm (Anexo – Tabela 1), e este diâmetro será adotado como o diâmetro do pistão. Com o diâmetro do pistão de 80 mm, a pressão de trabalho deve ser recalculada e corrigida.

PTb = 4.Fa. η

at

π(

1

Dp2

) = 4 . 20054,07 . 0,90

π . (

1

0,0802

) = 35,91 . 105 N/m2 = 35,91 bar

Inicialmente, antes de calcular o diâmetro da haste do atuador, é necessário

definir o comprimento livre de flambagem. Pelo critério de Euler, a carga é representada pelo caso onde há uma extremidade articulada e a outra livre (Anexo – Tabela 2). Para esta condição, é essencial saber a altura que o atuador deverá atingir até que haja a conformação do tubo.

Como a limitação da máquina é de curvar tubos em até 90º, a altura foi

calculada aplicando trigonometria. Ao observar a Figura 41 (página 75), veremos que é possível formar um triângulo retângulo isóscele entre a altura máxima e os roletes de apoio. Dividindo o triângulo pela metade, serão gerados dois novos triângulos retângulos isósceles. Considerando que a distância entre um rolete e o outro é de 550 mm, os catetos desse novo triângulo retângulo irão ter a metade da distância, ou seja, 275 mm.

Sabendo o comprimento livre de flambagem e a altura que o atuador deverá

atingir, é possível calcular o diâmetro da haste. O módulo de elasticidade do aço

comercialmente usado nas hastes dos cilindros hidráulicos é de 2,1.107 N/cm2. O valor

adotado do coeficiente de segurança foi de 3,5.

86

dh =√ 64 . S . λ

2 . Fa

π3 . E

4

= 64 . 3,5 . [27,5.(0,5)

0,5]2

. 20054,07

π . (2,1 . 107

) = 2,2525 cm = 22,52 mm

O diâmetro comercial adotado para a haste é de 36 mm. Com o diâmetro do

pistão comercial, o diâmetro da haste comercial e a pressão de trabalho corrigida, é possível selecionar o atuador hidráulico cilíndrico comercial no catálogo da fabricante REXROTH que irá atender ao sistema hidráulico da máquina. Foi escolhido o cilindro de comprimento máximo de 510 mm (Anexo – Tabela 1).

Para a altura de 510 mm, o tempo de atuação de avanço e de retorno é de,

respectivamente, 8,5 segundos e 6 segundos. Desta forma, é calculada a velocidade de avanço e de retorno do atuador.

va = Lh

∆ta =

510

8,5 = 60 mm/s

vr = Lh

∆tr =

510

6 = 85 mm/s

Antes de calcular a vazão induzida de avanço e de retorno do atuador hidráulico,

é necessário o cálculo da área comercial da coroa e do pistão. A área da coroa é obtida pela diferença entre as áreas do pistão e da haste.

Ap = π.Dp

2

4 = π .

802

4 = 5026,55 mm2

Ac = π

4(Dp

2 - dh

2) =

π

4. (80

2 - 36

2) = 4008,67 mm2

Para finalizar o dimensionamento de um atuador hidráulico cilíndrico comercial, a

vazão induzida de avanço e de retorno foi calculada.

Qia = va . Ac = 60 . 4008,67 = 240520,2 mm3/s = 14,43 L/min

Qir = vr . Ap = 85 . 5026,55 = 427256,75 mm3/s = 25,63 L/min

3.2.2 Bomba Hidráulica

Antes de calcular a pressão da bomba a ser utilizada, é necessário saber a

pressão induzida de avanço.

Pia = Fa

Ac

= 20054,07

40,0867 = 500,27 N/cm2

Também foi preciso calcular a relação entre a área comercial do pistão e da

coroa.

r = Ap

Ac

= 5026,55

4008,67 = 1,25

Conhecendo a pressão induzida de avanço e a relação entre a área do pistão e

da coroa, foi possível calcular a pressão da bomba.

87

PB = Pia

r =

500,27

1,25 = 400,22 N/cm2 = 40,02 bar

A vazão da bomba foi determinada baseada na relação: Qir ≥ QB > Qia. Para isto,

foi escolhido o valor de 25 L/min para a vazão da bomba. Com o propósito de selecionar uma bomba comercialmente disponível que atenda o sistema hidráulico dimensionado, foi calculado o deslocamento (cilindrada), o momento de torção absorvido, e a potência absorvida, respectivamente. Foram considerados os valores de 1750 RPM de rotação, 92% de rendimento volumétrico, 87% de rendimento mecânico–hidráulico e 80% de rendimento total (η

mh x η

v).

Vg = 1000.QB

n . ηv

= 1000 . 25

1750 . 0,92 =15,53 cm3/rotação

Mt = QB . ∆P

100 . ηmh

= 25 . 40,02

100 . 0,87 = 11,5 N.m

N = QB . ∆P

600 . ηt =

25 . 40,02

600 . 0,80 = 2,08 kW

Com estes dados, foi possível escolher uma bomba disponível comercialmente

que atendesse o sistema hidráulico dimensionado. Foi selecionada, pelo catálogo do fabricante REXROTH, a bomba de engrenagem do tipo G2 de tamanho nominal de 016,

rotação de 1750 RPM, deslocamento (cilindrada) de 16,2 cm3/rotação, vazão efetiva de 27,90 LPM, momento de torção absorvido de 11,5 N.m, potência absorvida de 2,95 kW e pressão de 50 bar (Anexo – Tabela 3).

3.2.3 Representação do Sistema Hidráulico

O circuito deste sistema foi elaborado no software FESTO FluidSim H. A

esquematização do circuito hidráulico pode ser vista na Figura 50.

Figura 50 - Esquema do Sistema Hidráulico

88

3.3 Sistema Mecânico

Foram feitos cálculos analíticos de tensões máximas resultantes nos componentes mecânicos da máquina projetados. Para o cálculo das tensões axiais, a Equação 9 é relembrada.

σ = P

A

(9)

Onde:

σ: tensão normal média P: força normal interna resultante A: área da seção Para o cálculo da tensão de flexão, é válido ressaltar a Equação 12.

σ = M.y

I

(12)

Onde:

σ: tensão normal M: momento fletor y: distância entre do ponto em análise até a linha neutra I: momento de inércia da seção transversal O cálculo de cisalhamento pode ser visto na Equação 11.

τ = V . Q

I . t =

4 . V

3 . A

(11)

Onde:

τ : tensão de cisalhamento V: força de cisalhamento interna resultante Q: momento estático I: momento de inércia da seção transversal t: largura da área da seção transversal A: Área da seção transversal Após determinar um ponto de referência com mais de um esforço sendo

submetido, as tensões são combinadas por von Mises, e essa pode ser vista na Equação 21.

σ'eq = √(σx-σy)

2 + (σy-σz)

2+ (σz-σx)2 + 6.(τ2

xy+τ2yz+τ2

zx)

2

(21)

Onde: σ'eq: Tensão normal equivalente de von Mises

σx: Tensão normal no eixo X σy: Tensão normal no eixo Y

σz: Tensão normal no eixo Z τxy: Tensão cisalhante nos eixos X e Y

τyz: Tensão cisalhante nos eixos Y e Z

89

τzx: Tensão cisalhante nos eixos Z e X A partir da tensão máxima calculada, foi possível calcular o coeficiente de

segurança, dado pela Equação 49.

CS = Sy

σmax

(49)

Onde: CS: Critério de segurança Sy: Limite de escoamento

σmax: Tensão máxima A força, exercida pelo atuador hidráulico, calculada anteriormente foi de

20054,07 N. Considerando a massa do tubo de aço ASTM A36 de 2” ser de 3,8005 kg, a força resultante será positiva no sentido Y com o valor de 20016,78 N. Como esta carga é centralizada, a força que estará sendo aplicada nos apoios fixos, que são os roletes e os pinos, será equivalente a metade deste valor, correspondendo a 10008,39 N.

3.3.1 Estrutura

Para realizar os cálculos analíticos da estrutura, a mesma foi dividida em três

partes e analisada separadamente, conforme a Figura 51, com a finalidade de determinar qual parte sofrerá maiores.

Figura 51 - Estrutura dividida em três partes

Na base da estrutura, o mais correto para ser feito de cálculo analítico seria pela

teoria das placas, de Kirchhoff-Love, porém, por conta de sua complexibilidade, será feito um cálculo analítico aproximado de flexão, considerando que no centro da placa, o atuador hidráulico tende a aplicar uma força para baixo, forçando as laterais da placa a flexionar, conforme pode ser visto na Figura 52.

Figura 52 - Base da Estrutura sob Flexão

90

σ = M.y

I =

(10008,392

⁄ . 180) . 222⁄

165 . 223

12⁄

= 67,67 MPa

Na coluna foi aplicada carga axial de tração de 5004,19 N. Esta força foi

calculada com base onde a carga centralizada nos pinos e nos roletes será de 10008,39 N, portanto, o interior de cada furo de ajuste terá metade desta carga, correspondendo a 5004,19 N.

σ = P

A =

5004,19

75 . 22 = 3,03 MPa

A Placa superior da peça está submetida a flexão nas laterais, pois como o

atuador aplica no tubo uma força centralizada, as suas laterais tendem a flexionar, conforme ilustrado na Figura 53.

Figura 53 - Parte Superior da Estrutura sob Flexão

σ = M.y

I =

(10008,392

⁄ . 267,50) . 1202⁄

22 . 120 312

⁄ = 25,35 MPa

Como a placa possui furos em sua seção, é relevante determinar concentrador

de tensão. Este é selecionado de acordo com o gráfico da Figura 54.

Figura 54 - Concentrador de Tensão de Flexão para Placa com Furo


91

A relação entre o diâmetro do furo e a altura da placa é 0,17. Portanto, o valor adotado para o coeficiente de concentrador de tensão será 1,6. Desta forma, o cálculo para a tensão máxima de flexão aplicada na placa superior da estrutura se dá pela Equação 50.

σmax = kt . σ = 1,6 . 25,35 = 40,56 MPa (50)

Onde: σmax: Tensão Máxima

kt: Fator de concentração de Tensão σ: Tensão normal

É importante calcular a tensão de contato em relação aos furos da chapa, para

analisar se pode haver o risco da placa rasgar onde estará fixado o pino. Este cálculo é determinado pela Equação 51. O valor da tensão de contato não pode ser superior ao limite de escoamento do material.

σ = F

DFuro. t =

5004,195

20 . 22 = 11,37 MPa

(51)

Onde: σ: Tensão normal

DFuro: Diâmetro do furo T: Espessura da chapa

Foi analisada que a parte da estrutura que sofre maiores esforços é a base,

onde a mesma está submetida a uma tensão de 67,67 MPa. O material que foi escolhido para a fabricação da estrutura foi o AISI 1006 laminado a quente, e este apresenta o valor de tensão de escoamento de 170 MPa. Desta forma, foi calculado o critério de segurança.

CS = Sy

σmax

= 170

67,67 = 2,51

3.3.2 Roletes

Os roletes não estão submetidos a esforços significantes, apenas mantem uma

tensão de contato com o tubo o qual estará sendo dobrado durante a operação da máquina. Desta forma, os pinos que estarão dentro do furo dos roletes, estes sim estarão sobre esforços de flexão e cisalhamento. Foi selecionado como material dos roletes o aço AISI 1020 laminado a frio, pois este apresenta dureza e resistência superior ao material do tubo que estará sendo conformado, que é o ASTM A36. 3.3.3 Pinos

A rosca dos pinos segue os requisitos da norma ABNT ISO 724, onde o cálculo

da altura do filete considera 20 mm de diâmetro nominal da rosca externa, 18,376 de diâmetro do flanco da rosca externa e passo de 2,5 mm (Quadro 7, página 80).

H = d - d2

2 . 38⁄

= 20 - 18,376

2. 3 8⁄ = 2,1653 mm

92

A carga que está sendo exercida no pino foi de 10008,39 N centralizada. O pino sofrerá tensões de flexão e cisalhamento. Desta forma, foi calculado as tensões nos pontos máximos de flexão (superfície) e cisalhante (no centro do interior). Para ambas, o momento de inércia foi calculado.

I = π . D4

64

(52)

I = π . D4

64 =

π . 204

64 = 7853,98

Onde: I: Momento de Inércia D: Diâmetro do Pino Após determinar o momento de inércia, foi realizado o cálculo da tensão de

flexão máxima.

σ = M.y

I =

(60,5 . 10008,39) . (202⁄ )

7853,98 = 770,96 MPa

Foi então, calculado a tensão máxima de cisalhamento, onde a força de

cisalhamento interna resultante foi equivalente a metade da força total que estará sendo aplicada, ou seja, 5004,195 N. Como a área de contato do cisalhamento são em dois pontos, a área na equação será dobrada.

τ = I = 4 . V

3 . A =

4 . 10008,39

3 . (2 . π . 102

) = 21,24 MPa

De forma conservadora, após obtenção dos valores de flexão máxima e

cisalhante máxima, essas foram combinadas pelo critério de von Mises, para determinação da tensão máxima resultante.

σ'eq = √(σx-σy)

2 + (σy-σz)

2+ (σz-σx)2 + 6.(τ2

xy+τ2yz+τ2

zx)

2 = √σ2 + 3.τ2 =

√770,962 + 3.(21,24

2) = 771,84 MPa

Os pinos sofrem elevados esforços de flexão e cisalhamento, por este motivo, foi

escolhida uma liga de aço mais nobre como material para este componente, que é o AISI 4140 temperado em óleo e revenido a 315 ºC. Este material apresenta um valor de limite de escoamento igual a 1570 MPa. O coeficiente de segurança foi conferido.

CS = Sy

σmax

= 1570

771,84 = 2,03

3.3.4 Matriz

A Matriz estará submetida a esforços axiais de compressão, uma vez que

durante a operação, o atuador hidráulico tende a comprimir a peça contra o tubo que estará sendo curvado. A força resultante desta operação será a subtração da força que o

93

atuador hidráulico está submetendo com a força peso do tubo. Desta forma, o cálculo da tensão de compressão foi realizado.

σ = P

A =

(20054,07 + 37,29)

π . 36

2

4

= 19,74 MPa

A matriz estará então submetida a uma tensão de compressão de 19,74 MPa. O

material escolhido foi o ferro fundido cinzento, que apresenta um valor de resistência à compressão de 572,165, um valor bem alto, comparado a tensão máxima que a matriz estará sofrendo.

CS = Sy

σmax

= 572,165

19,74 = 28,98

Apesar do valor do coeficiente de segurança ter dado bem elevado, ainda assim

é viável utilizar o ferro fundido cinzento como material para as matrizes, pois por causa de sua geometria complexa, sua fabricação pode ser feita por fundição, além do ferro fundido cinzento não possuir um preço relativo elevado. 3.3.5 Parafusos de Fixação

Foram selecionados quatro parafusos de classe 9,8 M10 x 1,5 mm sextavados para a fixação do atuador hidráulico com a base da estrutura. Segundo Budynas e Nisbett, (2011), os parafusos da classe 9,8 são feitos de aço médio carbono temperado e revenido, com resistência mínima de tração de 900 MPa (Anexo – Tabela 4). A área total

para parafusos com 10 mm de diâmetro nominal é de 58 mm2. Desta forma, foi calculada a força de tração dos parafusos.

F = σr . At = (900 . 106) (58 . 10

-6) = 52200 N

Para determinar o torque que deverá ser aplicado nos parafusos, foi necessário

estabelecer valores para as cargas suportadas pelos parafusos. O material de menor tensão de escoamento na união parafusada é o da estrutura da máquina, que tem um valor aproximado de 170 MPa, sendo assim, o valor da resistência de prova corresponderá a 85% deste valor. Desta forma, foi realizado o cálculo da carga de prova.

Fp = At . Sp = (58 . 106) . [0,85 . (170 . 10

-6)] = 8381 N

A carga de aperto corresponderá a 75% do valor da carga de prova. O valor

adotado à constante de atrito foi de 0,25, que corresponde à situação onde não há lubrificação e nem arruela na união parafusada. Assim, foi possível calcular o torque a ser aplicado nos parafusos.

T = Fi . K . d = (0,75 . 8381) . 0,25 . 0,010 = 15,714 N.m

4. CONCLUSÕES

Foi projetada neste trabalho uma máquina com acionamento hidráulico para

curvar tubos de ½”, ¾”, 1”; 1¼”, 1½”, 2” em ângulos de até 90º.

94

O sistema hidráulico da máquina é composto por um atuador hidráulico linear de dupla ação do tipo cilíndrico com diâmetro do pistão de 80 mm, diâmetro de haste de 56 mm, pressão de trabalho de 50 bar e comprimento máximo de 510 mm. Este atuador é acionado por uma válvula 4/3 vias normalmente fechada e tem a sua velocidade de avanço controlada por uma válvula controladora de fluxo. Também compõe, no sistema hidráulico, uma bomba do tipo G2 com tamanho nominal de 016, rotação de 1750 RPM, deslocamento (cilindrada) de 16,2 /rotação, vazão efetiva de 27,90 LPM, momento de torção absorvido de 11,5 N.m, potência absorvida de 2,95 kW e pressão de 50 bar.

No sistema mecânico, foi projetada a estrutura da máquina de aço AISI 1006

(laminado a quente), possuindo dois roletes de aço AISI 1020 (laminado a frio), dois pinos de aço AISI 4140 (temperado em óleo e revenido a 315ºC), e seis matrizes de ferro fundido cinzento, onde cada matriz corresponde à operação de curvamento de cada diâmetro de tubo. Estes componentes mecânicos foram projetados pelo software SolidWorks. Para a fixação do atuador hidráulico com a base da estrutura da máquina, foram selecionados quatro parafusos de classe 9,8 M10 x 1,5 mm sextavados.

O desenho da máquina montada pode ser vista no Apêndice J.

4.1 Sugestões para Trabalhos Futuros

a) Redimensionamento da máquina com a finalidade de aumentar a capacidade e ampliar a aplicação;

b) Automatizar a operação da máquina por meio de um controlador numérico computadorizado (CNC) e utilizando sensores de ângulos de dobramentos para limitar o avanço do atuador hidráulico até o ângulo requerido; c) Construção da máquina projetada; d) Análise numérica computacional dos componentes mecânicos pelo método dos elementos finitos.

95

CAPÍTULO III: REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

96

ABNT NBR ISO 724. Rosca Métrica ISO de Uso Geral – Dimensões Básicas.

2004

AÇOBRIL. Aplicações do aço. 2013. Disponível em:

<http://acobril.com.br/aplicacoes/>. Acesso em: 10 de Set. de 2018

AÇOS CONTINENTE. Catálogo de Tubo Industrial Redondo. Disponível em:

<http://www.acoscontinente.com.br/secao/31/tubo-industrial-

redondo?fbclid=IwAR2GeTg55RVocPZmv3hqbGZZc7pt8jmwoMsmHDWBHEo8U

YQHdUYnC35PldY>. Acesso em 24 de Fev. 2019.

AGARWAL, R. Tube Bending with Axial Pull and Internal Pressure.

(Dissertação de Mestrado em Engenharia). Texas A&M University, 2004.

Disponível em: <https://core.ac.uk/download/pdf/4268329.pdf>. Acesso em: 01 de

Out. 2018

ALVES, J. L. C. M. Simulação numérica do processo de estampagem de

chapas metálicas: Modelação mecânica e métodos numéricos (Dissertação de

Doutorado). Guimarães, Portugal: Universidade do Minho, 2003.

AMERICAN SOCIETY FOR MATERIALS, Metals Handbook, 8ª ed. V. 14, 1988.

BASSO, I. F. Projeto de uma Dobradeira de Tubos. (Dissertação de

Bacharelado em Engenharia). Alegrete, RS, 2014. Disponível em:

<http://dspace.unipampa.edu.br/bitstream/riu/921/1/Projeto%20de%20uma%20do

bradeira%20de%20tubos.pdf>. Acesso em: 10 de Set. 2018.

BEER, F. P.; JOHNSTON JR, E. R.; DEWOLF, J. T.; MAZUREK, D. F. Mecânica

dos Materiais. 5ª ed. Porto Alegre: AMGH, 2011.

BORDIGNON, R. L. Projeto Conceitual de uma Prensa Hidráulica para

Retalhos de Chapas Metálicas. (Dissertação de Bacharelado em Engenharia).

Horizontina, RS, 2012.

http://acobril.com.br/aplicacoes/

http://www.acoscontinente.com.br/secao/31/tubo-industrial-redondo?fbclid=IwAR2GeTg55RVocPZmv3hqbGZZc7pt8jmwoMsmHDWBHEo8UYQHdUYnC35PldY



https://core.ac.uk/download/pdf/4268329.pdf

http://dspace.unipampa.edu.br/bitstream/riu/921/1/Projeto%20de%20uma%20dobradeira%20de%20tubos.pdf

http://dspace.unipampa.edu.br/bitstream/riu/921/1/Projeto%20de%20uma%20dobradeira%20de%20tubos.pdf

97

BRESCIANE FILHO, E.; SILVA, I. B.; BATALHA, G. F.; BUTTON, S. T.

Conformação Plástica dos Metais, 6ª ed. São Paulo: EPUSP, 2011. Disponível

em:

<http://www.fem.unicamp.br/~sergio1/CONFORMACAOPLASTICADOSMETAIS.p

df>. Acesso em: 28 de Set. 2018.

BUDYNAS, R. G.; NISBETT, J. K. Elementos de Máquinas de Shigley, 8ª ed.

Porto Alegre: AMGH, 2011.

CALLISTER , W. D.; RETHWISCH, D. G. Ciência e Engenharia de Materiais

uma Introdução, 8ª ed. Rio de Janeiro: LTC, 2012.

CBCA. Construção em aço – Aços Estruturais. 2017. Disponível em:

<http://cbca-acobrasil.org.br/site/construcao-em-aco-acos-estruturais.php>.

CHIVAVENIRI, V. Tecnologia Mecânica, Processos de Fabricação e

Tratamento V. II, 2ª ed. São Paulo: MacGraw – Hill, 1986.

DIETER, G. E. Metalurgia Mecânica. 2ª ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan,

1981.

FERNANDES, M. D.; NUNES, R. S. Estudo da degradação de cabos de aço

das linhas #1 #2 #3 #4 #5 #6 e #8 da plataforma P08. (Dissertação de Pós-

Graduação Lato Sensu em Engenharia). Campos dos Goytacazes, RJ, 2015.

Disponível em: < http://bd.centro.iff.edu.br/handle/123456789/4>. Acesso em: 15

de Fev. 2019

FESTO DIDATIC. Catálogo de Válvulas Hidráulicas. Disponível em:

<https://www.festo-didactic.com/>. Acesso em 17 de Maio 2019.

FIALHO, A. B. Automação Hidráulica: Projetos, Dimensionamento e Análise

de Circuitos. 6ª ed. São Paulo: Erica, 2013.

http://www.fem.unicamp.br/~sergio1/CONFORMACAOPLASTICADOSMETAIS.pdf

http://www.fem.unicamp.br/~sergio1/CONFORMACAOPLASTICADOSMETAIS.pdf

http://cbca-acobrasil.org.br/site/construcao-em-aco-acos-estruturais.php

http://bd.centro.iff.edu.br/handle/123456789/4?fbclid=IwAR2zKqwGrzEfnuumq4rxiOm-rOqlpx8Dfv5vST8TYcPbSZK4mvImpr_FQ1U

https://www.festo-didactic.com/

98

FRANCESCHI, A.; ANTONELLO, M. G. Elementos de Máquinas, RS: Rede e-

Tec Brasil, 2014. Disponível em: < https://www.ufsm.br/unidades-

universitarias/ctism/cte/wp-

content/uploads/sites/413/2018/12/01_elementos_maquina.pdf>. Acesso em: 07

de Fev. 2019.

GENTIL, V. Corrosão, 3ª ed. Rio de Janeiro: LTC, 1996.

GONZÁLEZ, P. C. S. Técnica não Convencional para Dobramento de Tubos

de Parede Fina Usando Elástomero. (Dissertação de Doutorado em

Engenharia). São José dos Campos, SP, 2000. Disponível em:

<http://www.bd.bibl.ita.br/tesesdigitais/000444759.pdf>. Acesso em: 30 de Set.

2018.

GROOVER, M. P. Fundamentals of Moden Manufacturing: Materials,

Processes, and Systems. 3ª ed. United States of America: John Willey & Sons,

2007.

HALLIDAY, D.; RESNICK, R,; WALKER, J. Fundamentos de Física. 9ª ed. Rio

de Janeiro: LTC, 2009.

HELMAN, H.; CETLIN, P. R. Fundamentos da Conformação Mecânica dos

Metais, 2ª ed. São Paulo: Artliber, 2005.

HIBBELER, R. C. Resistência dos Materiais. 7ª ed. São Paulo: Pearson

Prentice Hall, 2010.

ILKIU, A. M. Mecanismos do Processo de Dobramento Contínuo por Rolos.

(Dissertação de Doutorado em Engenharia). São José dos Campos, SP, 2000.

Disponível em: http://161.24.11.4/tesesdigitais/000445270.pdf. Acesso em 01 de

Ago. 2018.

https://www.ufsm.br/unidades-universitarias/ctism/cte/wp-content/uploads/sites/413/2018/12/01_elementos_maquina.pdf



http://www.bd.bibl.ita.br/tesesdigitais/000444759.pdf

http://161.24.11.4/tesesdigitais/000445270.pdf

99

JUVINALL, K. M.; MARSHEK, K. M. Fundamentos do Projeto de

Componentes de Máquinas, 4ª ed. Rio de Janeiro: LTC, 2013.

LINSINGEN, I. V. Fundamentos de Sistemas Hidráulicos. 4º ed. Florianópolis:

Edufsc, 2013.

MACINTYRE, A. J. Bombas e Instalações de Bombeamento. 2ª ed. Rio de

Janeiro: LTC, 1997

MALAVOLTA, A. T.; LIRANI, J.; MASSAROPPI JUNIOR, E.; AL-QURESHI, H. A.

Método de elementos finitos ajuda a prever retorno elástico no dobramento de

chapas anisotrópicas. Corte & Conformação de Metais. Ano II, n. 23, p. 76-84,

Março 2007.

MELCONIAN, S. Elementos de Máquinas, 9ª ed. São Paulo: Érica Ltda., 2008.

NORTON, R. L. Projeto de Máquinas: Uma Abordagem Integrada, 4ª ed. Porto

Alegre: Bookman, 2013.

PARKER TRAINING. Tecnologia Hidráulica Industrial Apostila M2001-1 BR.

Parker Hannifin Ind. Com. Ltda, 1999.

PASCON, J. P. Sobre Modelos Constitutivos não Lineares para Materiais

com Gradação Funcional Exibindo Grandes Deformações: implementação

numérica em formulação não linear geométrica. (Dissertação de Doutorado em

Engenharia). São Carlos, SP, 2012. Disponível em:

<http://www.set.eesc.usp.br/static/media/producao/2012DO_JoaoPauloPascon_1.

pdf>. Acesso em: 01 de Nov. 2018.

PFEIL, W.; PFEIL, M. Estruturas de Aço: dimensionamento prático. 8ª ed. Rio

de Janeiro: LTC, 2009.

http://www.set.eesc.usp.br/static/media/producao/2012DO_JoaoPauloPascon_1.pdf

http://www.set.eesc.usp.br/static/media/producao/2012DO_JoaoPauloPascon_1.pdf

100

PINHEIRO, A. C. da F. B. Estruturas metálicas: cálculos, detalhes, exercícios e

projetos, 2ª ed. São Paulo: Edgard Blücher, 2005.

POLL, M. T. Uma Metodologia para Automação do Processo de

Conformação por Calandras. (Dissertação de Mestrado em Engenharia). Santa

Maria, RS, 2008. Disponível em:

<https://repositorio.ufsm.br/bitstream/handle/1/8084/MARCIATROJANPOLL.pdf>.

Acesso em: 30 de Set. 2018.

RABINOWICZ, E. Friction and Wear of Materials, 2ª ed. John Willey & Sons,

1995.

ROCHA, O. F. L. Conformação Mecânica. Belém, PA: Rede e-Tec Brasil, 2012.

Disponível em:

<http://redeetec.mec.gov.br/images/stories/pdf/eixo_ctrl_proc_indust/tec_metal/co

nform_mec/161012_confor_mec.pdf>. Acesso em: 28 de Set. 2018.

RUSSO JUNIOR, A. Análise do Dobramento de Tubo com Comportamento

Elástico – Perfeito Plástico. (Dissertação de Mestrado em Engenharia). São

José dos Campos, SP, 1997. Disponível em:

<http://www.bd.bibl.ita.br/tesesdigitais/000381431.pdf>. Acesso em: 28 de Set.

2018.

SANTOS, S. L. Bombas e Instalações Hidráulicas. São Paulo: LCTE, 2007.

SCHACKELFORD, J. F. Introdução à Ciência dos Materiais para

Engenheiros, 6ª ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2008.

SCHAEFFER, L. Conformação Mecânica, 2ª ed. Porto Alegre: Imprensa Livre,

2004.

https://repositorio.ufsm.br/bitstream/handle/1/8084/MARCIATROJANPOLL.pdf

http://redeetec.mec.gov.br/images/stories/pdf/eixo_ctrl_proc_indust/tec_metal/conform_mec/161012_confor_mec.pdf

http://redeetec.mec.gov.br/images/stories/pdf/eixo_ctrl_proc_indust/tec_metal/conform_mec/161012_confor_mec.pdf

http://www.bd.bibl.ita.br/tesesdigitais/000381431.pdf

101

SILVA, D. A. C. S.; dos SANTOS, E. B.; FERNANDES, U. B. Conceitos

Essenciais Sobre Mancais de Rolamento e de Deslizamento. Garça, SP,

2018. Disponível em:

<revista.fatecgarca.edu.br/index.php/efatec/article/download/21/19/>. Acesso em:

15 de Fev. 2019

TANG, N. C. Plastic-deformation Analysis in Tube Bending. International jornal

of Pressure Vessels and Piping, Toronto, v.77, f.12, p. 751-759, Setembro 2000.

ZOLIN, I. Materiais de Construção Mecânica, 3ª ed. Santa Maria, RS: Rede e-

Tec Brasil, 2011. Disponível em:

<http://redeetec.mec.gov.br/images/stories/pdf/eixo_ctrl_proc_indust/tec_autom_in

d/mat_constr_mec/161012_mat_const_mec.pdf>. Acesso em: 01 de Out. 2018.

http://revista.fatecgarca.edu.br/index.php/efatec/article/download/21/19/?fbclid=IwAR3VxZtD3CTrE2ye2WM060VPlGqnk-0LXstuIJ7u6a3IfEZ5MzGdZ7p8sCA

http://redeetec.mec.gov.br/images/stories/pdf/eixo_ctrl_proc_indust/tec_autom_ind/mat_constr_mec/161012_mat_const_mec.pdf

http://redeetec.mec.gov.br/images/stories/pdf/eixo_ctrl_proc_indust/tec_autom_ind/mat_constr_mec/161012_mat_const_mec.pdf

102

ANEXOS – TABELAS

Tabela 1: Cilindros Comerciais

Fonte: Catálogo da Fabricante REXROTH, apud Fialho, 2013 p. 50

103

Tabela 2: Cargas de Euler

Fonte: Fialho (2013)

104

Tabela 3: Bombas de Engrenagem do tipo G2

Fonte: Catálogo da Fabricante REXROTH, apud Fialho, 2013 p. 63

105

Tabela 4 – Categorias Métricas de Propriedades Mecânicas para Parafusos


106

APÊNDICES – DESENHOS TÉCNICOS

30 30 30 35 30 30

120

20

75

25

13

15

11

15

14

742

22

165 22

610

305 255

32

50,

25

M10x1,5

AISI 1006LAMINADO A QUENTE

PROJETO DE UMA MÁQUINA PARA CURVAR TUBOS PARA

UTILIZAÇÃO NO PROJETO ISEBAJA

MARCUS VINÍCIUS DASILVA PINTO VIEIRA

ISECENSA

APÊNDICE - A

C

D

E

B

F

A

23 14

C

F

E

A

B

D

2 14 3

NOME:

MATERIAL:

TÍTULO:

DES. Nº

ESCALA:1:10

FOLHA 1 DE 1

A4Estrutura

INSTITUIÇÃO:

UNIDADE: mm0DATA: 20/05/2019

20,13

121

R57

,09

60

20


ISECENSA

AISI 1020LAMINADO A FRIO

PROJETO DE UMA MÁQUINAPARA CURVAR TUBOS PARA


DATA: 20/05/2019

APÊNDICE - B

C

D

E

B

F

A

23 14

C

F

E

A

B

D

2 14 3

NOME:

MATERIAL:

TÍTULO:

DES. Nº

ESCALA:1:2

FOLHA 2 DE 10

A4RoleteUNIDADE: mm

INSTITUIÇÃO:

164

,37

191

,25

M20x2,5

40


ISECENSA

AISI 4140TEMPERADO E REVENIDO



DATA: 20/05/2019

APÊNDICE - C

C

D

E

B

F

A

23 14

C

F

E

A

B

D

2 14 3

NOME:

MATERIAL:

TÍTULO:

DES. Nº

ESCALA:1:2

FOLHA 3 DE 10

A4Pino

INSTITUIÇÃO:

UNIDADE: mm

20

77,52

R7,25

36 11,

50




ISECENSA

FERRO FUNDIDOCINZENTO

DATA: 20/05/2019

APÊNDICE - D

C

D

E

B

F

A

23 14

C

F

E

A

B

D

2 14 3

MATERIAL:

TÍTULO:

DES. Nº

ESCALA:1:1

FOLHA 4 DE 10

A4Matriz 1/2"

INSTITUIÇÃO:

NOME:

UNIDADE: mm

116,28

R10,43 36

8,5

0

30

APÊNDICE - E


ISECENSA




DATA: 20/05/2019

C

D

E

B

F

A

23 14

C

F

E

A

B

D

2 14 3

NOME:

INSTITUIÇÃO:

MATERIAL:

TÍTULO:

DES. Nº

ESCALA:1:1

FOLHA 5 DE 10

A4Matriz 3/4"UNIDADE: mm

36

30

8,3

0

R13,60 155,04


ISECENSA


DATA: 20/05/2019



APÊNDICE - F

C

D

E

B

F

A

23 14

C

F

E

A

B

D

2 14 3

NOME

INSTITUIÇÃO:

MATERIAL:

TÍTULO:

DES. Nº

ESCALA:1:2

FOLHA 6 DE 10

A4Matriz 1"UNIDADE: mm

36 R19,23

10,

38

193,80

30


ISECENSA




APÊNDICE - G

C

D

E

B

F

A

23 14

C

F

E

A

B

D

2 14 3

NOME:

INSTITUIÇÃO:

MATERIAL:

TÍTULO:

DES. Nº

ESCALA:1:2

FOLHA 7 DE 10

A4Matriz de 1 1/4"DATA: 20/05/2019

UNIDADE: mm

36

30

R22,40

12,

45

232,56

MARCUS VINÍCIUS DASILVA PINTO VIEIRA PROJETO DE UMA MÁQUINA

PARA CURVAR TUBOS PARAUTILIZAÇÃO NO PROJETO ISEBAJAISECENSA


APÊNDICE - H

C

D

E

B

F

A

23 14

C

F

E

A

B

D

2 14 3

NOME:

INSTITUIÇÃO:

DATA: 20/05/2019

MATERIAL:

TÍTULO:

DES. Nº

ESCALA:1:2

FOLHA 8 DE 10

A4Matriz 1 1/2"UNIDADE: mm

36 R31,70

30

310,08

16,

60


ISECENSA




APÊNDICE - I

C

D

E

B

F

A

23 14

C

F

E

A

B

D

2 14 3

NOME:

INSTITUIÇÃO:

DATA: 20/05/2019

MATERIAL:

TÍTULO:

DES. Nº

ESCALA:1:5

FOLHA 9 DE 10

A4Matriz 2"UNIDADE: mm

1

2

3

4

5

6

7


ISECENSA



APÊNDICE - J

ITEM NO. PART NUMBER QTY1 ROLETE 22 PINO M20 x 2.5 23 ESTRUTURA 14 ATUADOR HIDRÁULICO 15 MATRIZ 1" 16 PORCA M20 x 2.5 27 PARAFUSO 9,8 M10 x 1.5 4

8 7

A

B

23456 1

578 246 13

E

D

C

F F

D

B

A

E

C

NOME:

INSTITUIÇÃO:

DATA: 20/05/2019

TÍTULO:

DES. Nº

ESCALA:1:10

FOLHA 10 DE 10

A3Montagem

institutos superiores de ensino do censa curso de

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