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DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

Secções de Projecto Mecânico e Tecnologia Mecânica

Concepção e Fabrico Assistido Por

Computador

Ano lectivo 2006/2007

Semestre de Verão

(18 de Junho de 2007)

Trabalho realizado por:

28620 – André Santos – T510

29336 – David Pinheiro – T510

ISELISELISELISEL Instituto Superior de Engenharia de Lisboa

ÍNDICE

I. CADERNO DE FABRICO .............................................................................................. 3

I.1 CONCEPÇÃO ....................................................................................................... 3

I.1.1 DIMENSIONAMENTO/CÁLCULO .................................................................... 3

I.1.2 DESENHO CAD E DESENHOS DE DEFINIÇÃO ........................................... 17

II. FICHA GAMA ............................................................................................................... 18

II.1 LISTAGEM E DESENHOS DOS APERTOS ....................................................... 18

II.2 IDENTIFICAÇÃO DOS ZEROS DA PEÇA .......................................................... 19

II.3 LISTAGEM DAS OPERAÇÕES E SUA SEQUÊNCIA, PARÂMETROS E TEMPOS

DE MAQUINAGEM ....................................................................................................... 21

II.4 FERRAMENTAS UTILIZADAS ............................................................................ 25

III. FICHEIRO CAM E PROGRAMA CNC COMENTADO ................................................. 27

ISEL Instituto Superior de Engenharia de Lisboa

CONCEPÇÃO E FABRICO: TRIÂNGULO

Pág. 3

I. CADERNO DE FABRICO

I.1 CONCEPÇÃO

I.1.1 DIMENSIONAMENTO/CÁLCULO

I.1.1.1 Análise cinemática e dinâmica do mecanismo

Partindo dos ficheiros CAD do mecanismo, fornecidos no site da cadeira, foi possível

realizar um estudo dinâmico recorrendo ao software CosmosMotion. Procurando simular a força de

reacção que um objecto calcado exerceria sobre o calcador, foi inserida uma mola a actuar sobre

este último componente. Os menus onde foram definidas as características da mola e o movimento

de translação do tubo do actuador são apresentados de seguida, conjuntamente com aqueles onde

se definem os atritos nas juntas e o efeito da gravidade.

Figura 1 - Localização da mola e suas características



Pág. 4

Figura 2 - Movimento harmónico e suas características, definidas para o actuador do calcador

Figura 3 - Menu em que o atrito das juntas é desprezado, como solicitado no enunciado do trabalho



Pág. 5

Figura 4 - Gravidade definida segundo o sentido negativo do eixo Y

Após definidos os parâmetros nos menus apresentados, foi possível proceder à análise

dinâmica do dispositivo calcador. Foi solicitado um gráfico que indicasse o deslocamento do tubo

do actuador ao longo do tempo (junta concêntrica 3). Foram também requeridos ao software

gráficos que indicassem a magnitude dos esforços exercidos nas juntas de concentricidade 10 e

14, visto que eram estas as responsáveis pelo carregamento do componente em estudo (triângulo).

Pela análise dos frames processados na simulação, concluiu-se que no 39º os esforços exercidos

sobre a peça eram máximos. Apresentam-se na figura 5 os gráficos obtidos, com o respectivo

frame assinalado por uma linha vermelha.

Tento em vista a realização do estudo estático, importaram-se as cargas dinâmicas

máximas para o software de análise de elementos finitos CosmosWorks. O menu em que foi

realizada a importação é apresentado na figura 6.



Pág. 6

Figura 5 - Gráficos solicitados ao software. O valor de tempo correspondente ao frame 39 encontra-se

assinalado pela linha vermelha (0,23 s)

Figura 6 - Menu de importação das cargas dinâmicas para o software FEA CosmosWorks.



Pág. 7

I.1.1.2 Análise estática linear

O software CosmosWorks foi o utilizado para a realização o estudo estático da peça

submetida aos esforços máximos verificados na análise dinâmica. Uma vez que se pretendia que o

componente analisado fosse fabricado por fresagem, acrescentaram-se raios de 5 mm nas arestas

indicadas na figura 7, pois caso contrário seriam impossíveis de maquinar. Nesta imagem

apresenta-se o componente inicial e a modificação realizada, à qual se seguiu o estudo estático e a

optimização. O material utilizado foi o Aço AISI 1020.

Figura 7- Peça original fornecida à esquerda e peça com as arestas alteradas, à direita

Para a realização da análise estática estabeleceu-se uma malha com um tamanho de

elemento médio (4mm), e utilizou-se um método adaptativo. Desta forma a malha sofreria um

refinamento nas zonas mais solicitadas mecanicamente. As opções relativas ao método utilizado,

h-adaptative, são apresentadas na figura 6.

Os resultados obtidos na análise estática são apresentados nas figuras 9 a 13.

Arestas

alteradas



Pág. 8

Figura 8 - Opções do método h-adaptative. Foi estabelecida uma precisão de 99% para o cálculo e 5

iterações para o refinamento da malha nas zonas mais fatigadas

Figura 9 - Aspecto final da malha, após a análise. Também se encontram representados os esforços

importados da análise dinâmica que incluem a força centrifuga e a gravidade, aplicadas no centro de

gravidade da peça.



Pág. 9

Figura 10 - Distribuição das tensões na peça. O valor máximo encontra-se sinalizado (131,3 MPa).

Figura 11 - Distribuição das deformações na peça. O valor máximo encontra-se assinalado (7,509E-5 m).



Pág. 10

Figura 12 - Distribuição do factor de segurança ao longo da peça. O valor mínimo encontra-se sinalizado

(2,677).

Figura 13 - Gráfico de convergência do método h-adaptative. Podemos ver que o erro resultante da análise

(baseada na energia de deformação) é inferior a 5,8%.



Pág. 11

I.1.1.3 Optimização

Uma vez obtidos os resultados da análise estática linear, procedeu-se à optimização da

peça fornecida para o estudo dinâmico, tendo em vista a diminuição da massa. Contudo, o

coeficiente de segurança da mesma não poderia ser inferior a 1,5. Uma vez que o coeficiente de

segurança fornecido pelo software é calculado relativamente à tensão de cedência (351,6 MPa

para o Aço AISI 1020), a tensão máxima que serviria como constrangimento ao estudo resultou do

seguinte cálculo:

MPan AdmAdm

y4,234

5,1

6,351==⇔= σ

σ

σ

As dimensões susceptíveis de variar durante esta análise foram definidas como

apresentado nas figuras 14 a 19.

Definido o objectivo (minimização da massa), as variáveis de estudo e o constrangimento

(tensão admissível) procedeu-se ao estudo de optimização. Os resultados obtidos são

apresentados nas figuras 19 a 21. Comparando a peça optimizada com a inicial, verifica-se uma

redução na massa de 553,83 para 149,48 gramas. Isto significa que a peça optimizada tem apenas

27% da massa da peça inicial. Tornam-se óbvias as vantagens que daqui resultam, ao nível de

redução dos custos na produção da peça, e menor energia requerida ao actuador do dispositivo

calcador (embora este último factor seja pouco relevante).

(Note-se que nas imagens a seguir apresentadas não se encontram representadas as

arestas modificadas.)

Figura 14 - Variável do estudo. Ficou definida como DV3 (Design Variable 3).

Limite inferior permitido para

a dimensão.

Limite superior permitido para

a dimensão.



Pág. 12

Figura 15 - Design Variable 4




Pág. 13

Figura 17 - Design Variable 6.




Pág. 14

Figura 19 - Distribuição das tensões na peça optimizada. O valor máximo encontra-se sinalizado (158 MPa).

Figura 20 - Distribuição das deformações na peça optimizada. O valor máximo encontra-se assinalado

(1,934E-4 m).



Pág. 15

Figura 21 - Distribuição do coeficientes de segurança ao longo da peça optimizada. O valor mínimo

encontra-se assinalado (2,225).

Figura 22 - Variação das dimensões das variáveis ao longo das várias iterações do estudo de optimização.



Pág. 16

Figura 23 - Variação do objectivo (massa) ao longo das várias iterações realizadas.

Figura 24 - Evolução da tensão máxima verificada ao longo das várias iterações do estudo de optimização.

Após observar a distribuição das tensões e dos coeficientes de segurança da peça

optimizada, pode-se constatar que o valor da tensão máxima aumentou e o do coeficiente de

segurança mínimo diminuiu, como seria de esperar. Contudo, o dado mais interessante prende-se

com a localização destes valores, que mudaram de local no decorrer da optimização. Também é

visível que a peça optimizada possui uma distribuição das tensões mais uniforme na maioria da

sua extensão.



Pág. 17

I.1.2 DESENHO CAD E DESENHOS DE DEFINIÇÃO

A seguir apresenta-se o modelo sólido após optimização numa perspectiva isométrica:

Figura 25 – Modelo sólido após optimização.

Tanto o modelo em formato STL como os desenhos de definição da peça optimizada

encontram-se anexados na mesma pasta que o presente relatório.



Pág. 18

II. FICHA GAMA

II.1 LISTAGEM E DESENHOS DOS APERTOS

A listagem e desenhos dos apertos foram gentilmente cedidos pelos nossos colegas Ana

Rita Oliveira e Bruno Amiano e encontram-se na imagem a seguir apresentada:

Figura 26 – Listagem simplificada dos apertos da máquina CNC.

Na figura seguinte está ilustrada a montagem do bruto maquinagem com os apertos da

máquina. De notar que para além das amarras e do batente o bruto maquinagem deverá ter um

calço por debaixo de si para que fique bem seguro. O bruto maquinagem usado tem uma dimensão

de 90x135x20 mm.



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Figura 27 – Montagem do bruto maquinagem nos apertos

II.2 IDENTIFICAÇÃO DOS ZEROS DA PEÇA

Os zeros da peça estão identificados nas seguintes imagens:

Figura 28 – Zeros da peça, vista de frente



Pág. 20

Figura 29 – Zeros da peça, vista de cima.

Figura 30 – Zeros da peça, vista isométrica.



Pág. 21

II.3 LISTAGEM DAS OPERAÇÕES E SUA SEQUÊNCIA, PARÂMETROS E TEMPOS DE MAQUINAGEM

A listagem e sequência das operações, assim como os parâmetros de maquinagem S

(velocidade de rotação da árvore), F (velocidade de avanço da ferramenta), ap (profundidade de

corte no sentido axial) e ae (profundidade de corte no sentido radial) e tempos por operação, estão

presentes na tabela da página seguinte.

ISEL

Instituto Superior de Engen

haria de Lisboa


Pág

. 22

Nº

Operação

Designação

Ferramen

ta

Esq

uem

a

Parâm

etros de maq

uinag

em

Tem

pos

S

(rpm)

F

(mm/m

in)

a p

(mm)

a e

(mm)

1

Desbaste

C426

Ø16mm

955

482

1

5

45min

39s

2

Facejamento

do topo

C247

Ø10mm

6000

2326

1

1

1min

26s

3

Facejamento

nervura 1

C247

Ø10mm

6000

2326

1

1

10s

ISEL


haria de Lisboa


Pág

. 23

4

Facejamento

entre

nervuras

C247

Ø10mm

6000

2326

1

1

15s

5

Facejamento

nervura 2

C247

Ø10mm

6000

2326

1

1

5s

6

Contorno

das nervuras

C247

Ø10mm

6000

2326

1

1

12s

ISEL


haria de Lisboa


Pág

. 24

7

Contorno da

peça

C247

Ø10mm

6000

2326

1

1

10s

8

Furo maior

C247

Ø10mm

6000

2326

1

1

3s

9

Furo menor

1

Broca

Ø6mm

1194

235

- -

4s

10

Furo menor

2

Broca

Ø6mm

1194

235

- -

4s



Pág. 25

II.4 FERRAMENTAS UTILIZADAS

A listagem das ferramentas presentes no departamento e disponíveis para a fabricação da

peça, foi também gentilmente cedida pelos nossos colegas Ana Rita Oliveira e Bruno Amiano. Foi

utilizado o software da DORMER (Product Selector) para apresentar as características

dimensionais das fresas com os print-screens apresentados:

Figura 31 – Fresa cilíndrica de desbaste Ø 16 mm, referência C426



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Figura 32 – Fresa cilíndrica de acabamento Ø 10 mm, referência C247.



Pág. 27

III. FICHEIRO CAM E PROGRAMA CNC COMENTADO

Tanto o ficheiro CAM como o programa CNC comentado encontram-se na pasta em anexo

que acompanha este ficheiro.

trabalho final cfaci.1.2 desenho cad e desenhos de definiÇÃo a seguir apresenta-se o modelo...

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