CENTRO UNIVERSITÁRIO POSITIVO
PROJETO DE UM ELEMENTO DE FIXAÇÃO DE PEÇAS COM
ALIMENTAÇÃO HIDRÁULICA PARA O PROCESSO DE USINAGEM
CURITIBA
2006
FILIPE DE CARVALHO DANTAS
RICARDO MUNHOZ DA ROCHA CARREIRO
PROJETO DE UM ELEMENTO DE FIXAÇÃO DE PEÇAS COM
ALIMENTAÇÃO HIDRÁULICA PARA O PROCESSO DE USINAGEM
Monografia apresentada como requisito parcial à
obtenção do grau de Engenheiro pelo Curso de
Engenharia Mecânica, do Setor de Ciências Exatas
e de Tecnologias do Centro Universitário Positivo.
Orientador: Prof. Emílio Eiji Kavamura
CURITIBA
2006
ii
SUMÁRIO
LISTA DE TABELAS........................................................................................................ iii
LISTA DE FIGURAS .........................................................................................................iv
LISTA DE SIGLAS..............................................................................................................v
RESUMO.............................................................................................................................vi
1
INTRODUÇÃO ..............................................................................................................1
1.1 IMPORTÂNCIA DO TRABALHO..................................................................................2
1.2 OBJETIVO DO TRABALHO ..........................................................................................2
1.3 ESCOPO ..........................................................................................................................2
1.4 COMPOSIÇÃO DO TRABALHO ...................................................................................3
2
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA.......................................................................................3
2.1 SISTEMAS DE FIXAÇÃO ..............................................................................................4
2.1.1 Fixação mecânica versus fixação hidráulica...................................................................7
2.1.2 Dispositivos de fixação..................................................................................................9
2.2 USINAGEM ..................................................................................................................11
2.3 HIDRÁULICA...............................................................................................................13
2.3.1 Circuitos hidráulicos....................................................................................................13
2.3.2 Tipos de fluidos hidráulicos.........................................................................................14
2.3.3 Seleção de fluidos hidráulicos......................................................................................19
2.4 VEDAÇÃO ....................................................................................................................23
3
O CILINDRO HIDRÁULICO.....................................................................................26
3.1 DIMENSIONAMENTO.................................................................................................27
3.2 SELEÇÃO DO MATERIAL DOS COMPONENTES ....................................................28
3.2.1 Material do Pistão........................................................................................................ 29
3.2.2 Material da Camisa e Tampa .......................................................................................31
3.3 ESFORÇOS SOBRE OS COMPONENTES...................................................................32
3.3.1 Esforços Estáticos........................................................................................................ 32
3.3.2 Esforços Dinâmicos.....................................................................................................42
4
ANÁLISE DE RESULTADOS ....................................................................................46
4.1 AVALIAÇÃO DE CUSTOS ..........................................................................................53
5
CONCLUSÃO ..............................................................................................................54
APÊNDICES ......................................................................................................................58
ii
iii
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Dados de testes realizados......................................................................................8
Tabela 2 - Análises efetuadas .................................................................................................8
Figura 4 - Opções de fixação ................................................................................................ 10
Tabela 3 - Classificação de óleos industriais (viscosidade) ...................................................21
Tabela 5 - Características de fluidos .....................................................................................23
Tabela 6 - Descrição de aços para cementação......................................................................30
Tabela 7 - Composição química do aço ABNT 8620 ............................................................30
Tabela 8 - Composição química do aço ABNT 1045 ............................................................31
Tabela 9 - Resistência de parafusos ISO classe 12.9 .............................................................39
Tabela 10 - Fator do tamanho e limite de fadiga corrigido ....................................................44
Tabela 11 - Constantes para cálculo de resistência à fadiga...................................................44
Tabela 12 - Características do ABNT 8620 para CAE ..........................................................47
Tabela 13 - Características para análise CAE........................................................................ 48
iii
iv
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Fixação no processo de usinagem...........................................................................5
Figura 2 - Dispositivo hidráulico ............................................................................................6
Figura 3 - Dispositivo mecânico .............................................................................................6
Figura 4 - Opções de fixação ................................................................................................ 10
Figura 5 - Cilindros de dupla e simples ação......................................................................... 10
Figura 6 - Conjunto montado do cilindro hidráulico .............................................................26
Figura 7 - Ilustração do sistema de alimentação....................................................................27
Figura 8 - Giro do pistão ...................................................................................................... 28
Figura 9 - Haste do cilindro ..................................................................................................33
Figura 10 - Círculo de mohr para cilindro 60x30 ..................................................................35
Figura 11 - Círculo de mohr para cilindro 50x25 ..................................................................36
Figura 12 - Círculo de mohr para cilindro 30x20 ..................................................................37
Figura 13 - Considerações de análise estática. ...................................................................... 47
Figura 14 - Deformação em pistão 30x20 ............................................................................. 49
Figura 15 - Análise de acúmulo de tensão em pistão 30x20 ..................................................49
Figura 16 - Deformação em pistão 50x25 ............................................................................. 50
Figura 17 - Análise de acúmulo de tensão em pistão 50x25 ..................................................51
Figura 18 - Deformação em pistão 60x30 ............................................................................. 52
Figura 19 - Análise do acúmulo de tensões em pistão do 60x30............................................ 52
iv
v
LISTA DE SIGLAS
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas
CAD – Computered Aided Design (Desenho Assistido por Computador)
CAE – Computered Aided Engineering (Engenharia Assistida por Computador)
CNC – Computered Numeric Control (Controle Numérico Computadorizado)
DIN – Deutsche Industrie Normen (Norma da Indústria Alemã)
GLP – Gás Liquefeito de Petróleo
ISO – International Standard Organization (Organização Internacional de Normas)
PVC – Policloreto de vinila
SAE – Society of Automotive Engineers (Sociedade dos Engenheiros Automotivos)
v
vi
RESUMO
Avaliando o comércio de componentes de fixação de peças para o processo de
usinagem, percebe-se a carência de produtos nacionais com qualidade nivelada com a de
produtos importados.
É conciliando tal deficiência com o consumo de produtos dessa natureza, que nasce
este projeto, com o enfoque de projetar um componente que atenda as necessidades do
processo, podendo assim estar disponibilizando um produto para fabricação que descarte a
necessidade da importação de cilindros importados. Isso favorece diretamente o consumidor,
já que esse terá como vantagens uma redução nos custos de importação, menores prazos de
entrega e uma maior facilidade para reposição.
Para esse desenvolvimento foram estudados tópicos como usinagem, hidráulica,
sistemas de fixação, materiais mecânicos e resistência dos materiais.
Enfim, este trabalho foi executado no âmbito do projeto de um componente
mecânico que possui como objetivo fixar peças em dispositivos no processo de usinagem
seriada, utilizando um fluido hidráulico de alimentação.
vi
1 INTRODUÇÃO
Na prestação de serviços de usinagem seriada, três são as variáveis que influenciam
diretamente na estabilidade do processo: dispositivos de fixação, ferramentas de corte e centro
de usinagem CNC. Essas características dependem uma da outra, pois de nada é útil um
centro de usinagem de ultima geração com ferramentas de corte com alta tecnologia se o
dispositivo de fixação não for construído para atender o que for preciso. Da mesma maneira
não é conveniente superdimensionar um dispositivo de fixação se o mesmo irá trabalhar em
centro de usinagem precário e com ferramentas de baixa qualidade. (SANDVIK
COROMANT, 2005).
As máquinas vêm apresentando freqüentes inovações tecnológicas em velocidade
nos eixos e na rotação do eixo-árvore, precisões nos movimentos, maior agilidade em troca de
ferramentas de corte, menos vibração, CNC mais desenvolvidos; por isso é imprescindível
que tanto os dispositivos de fixação quanto as ferramentas de corte acompanhem essa
tendência inovadora para que seja possível aproveitar todos os recursos do centro de usinagem
disponível.
No processo de usinagem, toda peça que for usinada precisa de algum meio de
fixação na máquina. Em equipamentos de usinagem convencionais, é utilizado com
freqüência morsas ou em caso de tornos placas com castanhas. Já quando se trata de alta
produtividade utilizando equipamentos CNC, geralmente é viabilizado o desenvolvimento de
sistemas especiais de fixação, dedicados a um único tipo de peça.
Neste trabalho são tratados exclusivamente conceitos de fixação em dispositivos de
usinagem, bem como as necessidades que o processo de usinagem exige dos componentes de
fixação. Não é o foco deste aprofundar em conceitos de ferramentas de corte ou em centros de
usinagem.
A empresa CR Usinagem, disponibilizou sua estrutura de engenharia para auxiliar no
desenvolvimento do projeto. Instalada na Cidade Industrial de Curitiba atua na área de
soluções em fixações para usinagem há 12 anos e atende consumidores nacionais e
internacionais. Foram utilizados os softwares de CAD (SOLIDWORKS,2005) e CAE
(COSMOSXPRESS,2005) da empresa, além de todo material bibliográfico (catálogos, livros
e manuais) que a companhia dispõe em seu departamento de engenharia de produto.
2
1.1 IMPORTÂNCIA DO TRABALHO
Quando se trata de fixação de peças em processo de usinagem seriada, muitos
conceitos devem ser considerados, por exemplo, tipo de alimentação do dispositivo, número
de fixadores, disposição de peças no dispositivo, entre outros. Os dispositivos de usinagem
devem acompanhar a propensão de diminuir ao máximo o contato humano no processo de
fabricação, tendência esta que vem aumentando a cada dia na indústria em geral.
Com a visão de alta produtividade, a mínima interferência do operador da máquina
durante a usinagem deve ser considerada. Para tal aplicam-se sistemas de fixação automáticos
(cilindros) para fixar as peças no processo de usinagem. Existem cilindros comerciais, porém
eles possuem elevados preço e prazo de entrega, por serem importados.
O desenvolvimento deste trabalho é importante para o consumidor final deste tipo de
produto, uma vez que a intenção é disponibilizar o componente com menores preço e prazo de
entrega.
1.2 OBJETIVO DO TRABALHO
Projetar um componente mecânico com a finalidade de fixar peças mecânicas em
dispositivos de usinagem utilizando um sistema hidráulico de alimentação. Esse componente,
chamado de cilindro hidráulico, é aplicado em estruturas (dispositivos) construídas para
receber a peça dentro do centro de usinagem.
1.3 ESCOPO
O projeto do componente deve seguir alguns tópicos que devem ser levados em
consideração durante o desenvolvimento. São eles:
• O projeto deve seguir padrões de funcionamento de componentes que já existem
no mercado, já que será usado em conjunto com equipamentos já existentes no
mercado (centro de usinagem);
3
• O custo final de fabricação do componente não pode ultrapassar o valor dos
atualmente encontrados no mercado, uma vez que há a preocupação com o valor
final do produto;
• O prazo de fabricação e entrega deve ser significativamente menor do que a
aquisição de um produto importado com a mesma funcionalidade;
• Os materiais comerciais aplicados (vedações e parafusos) devem seguir um padrão
nacional que seja facilmente encontrado no mercado para caso de reposição;
• O fluido utilizado para a alimentação do sistema hidráulico deve ser óleo mineral,
uma vez que todos os equipamentos de usinagem que possuem unidade hidráulica
para dispositivos são projetados para trabalhar com esse fluido.
1.4 COMPOSIÇÃO DO TRABALHO
O desenvolvimento desse documento está dividido em seis partes, conforme
descrição a seguir:
•
Sistemas de fixação: apresentação de conceitos e tipo de sistemas de fixação,
comparação entre sistemas manuais e automáticos, testes realizados e
dispositivos de fixação;
•
Usinagem: variáveis de definição e esforços de corte;
•
Hidráulica: tipos de fluidos hidráulicos, características, aplicações, seleção de
fluidos hidráulicos e classificações;
•
Vedações hidráulicas: seleção de vedação hidráulica;
•
Cilindro hidráulico: conceitos, apresentação do modelo, análises de cargas,
materiais aplicados, dimensionamento;
•
Análise dos resultados: avaliação geral dos resultados obtidos e conclusões.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Neste capítulo é apresentado o resultado de pesquisas realizadas a fim de definir o
conceito do componente, conceitos básicos de usinagem, informações sobre hidráulica e
vedações hidráulicas.
4
2.1 SISTEMAS DE FIXAÇÃO
A utilização de grampos de fixação em qualquer tipo de produção, seja ela de uma
única peça ou de uma série de peças, automatizada ou manual, contribui significativamente
para a obtenção de melhoria nos seguintes aspectos: qualidade, tempo de fabricação,
repetibilidade, redução da fadiga do operador e sem dúvida a segurança da operação. A
seleção correta do tipo de fixação a ser utilizada é de fundamental importância para obtermos
os resultados desejados. A busca de soluções baratas via de regra não leva em conta os tempos
de set-up, carga e descarga, além de tornar o processo inseguro para o homem e para a
máquina, aumentando consideravelmente o custo final do produto. Os tempos não produtivos
afetam de forma substancial os custos de produção, e podem ser reduzidos sem grande esforço
técnico e com baixo investimento. A repetibilidade é uma das variáveis de maior importância
para a garantia de um processo de fabricação lucrativo. Para chegar à estabilidade o
dispositivo de fixação deve ser preciso e muito bem projetado, prevendo os esforços de corte,
vibrações, tempo de troca de peça, balanceamento do número de peças no dispositivo com o
tempo do ciclo de usinagem, entre outros (SPARFIX, 2006). A Figura 1 ilustra a fixação de
uma peça utilizando dois cilindros hidráulicos durante o processo de usinagem. Vale observar
na figura que ambos os cilindros estão alojados em uma estrutura (dispositivo) assim como a
peça a ser usinada. O esforço de corte gerado pela ferramenta deve ser suportado pelos
cilindros hidráulicos para evitar que a peça movimente-se durante a usinagem. Usualmente
são empregados dois conceitos diferentes de fixação de peças para o processo de usinagem:
fixação manual (citada como mecânica) ou fixação hidráulica. Em dispositivos com sistema
de fixação mecânica a obtenção de estabilidade do processo torna-se mais difícil. Por se tratar
de um sistema de fixação manual, o operador da máquina é o responsável pela fixação da peça
no dispositivo. O maior problema é garantir que o dispositivo esteja posicionando a peça
sempre da mesma maneira e que esteja distribuindo a carga de fixação correta e de maneira
uniforme sobre os pontos de aperto. Quando se trata de dispositivos que fixam mais de uma
peça por vez, a situação é ainda mais crítica. Existe a possibilidade do operador da máquina
liberar o dispositivo para a usinagem com alguma peça solta, o que pode provocar danos
irreparáveis ao equipamento.
5
Figura 1 – Fixação no processo de usinagem
Fonte: RÖEMHELD, 2001
Já em dispositivos com sistema de fixação hidráulico a repetibilidade do aperto
torna-se mais acessível. Através de cilindros automáticos (seja ele hidráulico ou pneumático),
todo o sistema de fixação pode ser controlado pelo CNC (ou por outro controlador de
produção), não dependendo mais do operador para fixar a peça. Com a possibilidade de
controle por meio de válvulas e pressostatos, não é preciso alocar responsabilidades essenciais
do processo ao operador, cabendo ao mesmo apenas fazer a troca de peças prontas por peças
que serão usinadas. É possível ainda a aplicação de anti-vibratórios em pontos críticos da peça
juntamente com uma seqüência de fixação. Nesse conceito de fixação são utilizados cilindros
hidráulicos para prender a peça e para absorver vibrações da mesma quando necessário. Além
disso, pode-se prever fixação em pontos onde seriam inacessíveis no caso de dispositivos
mecânicos por falta de espaço para chaves e manuseio dos fixadores manuais. Fora esses
benefícios, há a questão do tempo de fixação.
As figuras 2 e 3 ilustram exemplos de dispositivos de usinagem com sistemas
mecânico e hidráulico de fixação.
Ao implantar na linha de manufatura dispositivos mecânicos que possuam vários
fixadores, há um grande tempo de fixação já que o operador tem que apertar cada fixador
individualmente.
6
Figura 2 – Dispositivo hidráulico
Fonte: O autor
Figura 3 – Dispositivo mecânico
Fonte: O autor
São cinco as vantagens do sistema de fixação hidráulico e pneumático:
1. Ganho de tempo – o maior benefício do sistema automático de fixação é o tempo
economizado na fixação e liberação das peças do dispositivo. Menos tempo de
máquina parada significa maior capacidade de produção;
2. Repetibilidade – forças de fixação consistentes proporcionam precisão e
repetibilidade na fixação;
3. Ganho de espaço – componentes de fixação quando projetados compactos podem
reduzir o espaço necessário quando comparado com sistemas de fixação
mecânicos, já que não há a necessidade do aperto com chaves. Desta maneira
7
mais itens podem ser fixados no mesmo dispositivo e usinados simultaneamente
em apenas uma fixação;
4. Segurança – menor interferência do operador significa menor chance de
acidentes de trabalho;
5. Automação – automatizando parte do processo de fabricação, no caso fixação, o
operador fica livre para desenvolver outras atividades.
2.1.1 Fixação mecânica versus fixação hidráulica
Muitos fatores devem ser levados em consideração na decisão de usar fixadores
mecânicos ou hidráulicos nas peças. Em geral, o sistema hidráulico deve ser usado em
aplicações de grandes volumes de fabricação, ou quando tolerâncias críticas devem ser
mantidas. Cilindros de fixação mecânica podem ser usados em aplicações de menor volume,
ou em procedimentos de desbaste.
Por exemplo, o uso de produtos de fixação de peças hidráulicas vai permitir que se
mantenha a precisão 1% na força de fixação (ENERPAC, 2002). Isto é obtido com a
utilização de pressostatos, bombas com acionamento elétrico e cilindros de fixação e apoio.
Esta precisão pode ser necessária quando se faz a usinagem de uma superfície exigindo
tolerância rígida, de menos de 0,025mm. A menor variação na força de fixação pode resultar
em movimentação ou deflexão maiores do que a tolerância total permitida. Em situações
como esta, o investimento em fixação hidráulica é irrecusável, já que na aplicação mecânica
existe a dependência do operador da máquina posicionar corretamente a peça, o que para
algumas tolerâncias de fabricação foge da repetibilidade de posicionamento.
Dispositivos de fixação manual são suficientes quando tolerâncias rígidas não são
exigidas, ou quando a peça fundida é grande e nenhuma quantidade de força excessiva de
fixação vai causar distorção da peça. Um operador de máquina pode apertar uma porca do
prisioneiro sobre o grampo num valor específico de torque com no máximo 10% de precisão,
utilizando uma chave manual (ENERPAC, 2002). Isto poderia resultar em diferenças
significativas no posicionamento e altura da peça no dispositivo. Entretanto, com uma peça
fundida, onde o acabamento exigido não é crítico, isto pode ser aceitável. Ao se comparar os
custos de fixação mecânica e fixação hidráulica (Tabela 1), torna-se fácil escolher a opção
8
mais vantajosa. A quantidade de peças no lote de produção também deve ser levada em
consideração, juntamente com a economia de tempo e custo dos materiais.
A fixação mecânica é mais barata, porém mais demorada quando comparada com a
hidráulica.
A Tabela 1 apresenta os resultados obtidos após teste realizado na empresa CR
Usinagem no período de 20/03/2005 à 25/03/2005 utilizando uma mandriladora CNC Zocca
MF80Z. Foram usinadas peças utilizando dois sistemas de fixação: hidráulico e mecânico. As
características controladas nas duas situações foram às mesmas.
Tabela 1 - Dados de testes realizados
Variável
Parâmetro
Fixação hidráulica
A
B
C
D
E
F
G
Quantidade para produção
Custo do material da peça
Custo do tempo de máquina
Custo do dispositivo hidráulico
Peça por dispositivo
Tempo de carga e descarga
Tempo de usinagem
Fixação mecânica
60.000 peças
R$25,00
R$150 por hora
R$30.000,00
4
20 segundos
720 segundos
60.000 peças
R$25,00
R$150 por hora
R$5.000,00
4
240 segundos
720 segundos
Fonte: O Autor
Tabela 2 - Análises efetuadas
Variável
Característica
H
Tempo
(usinagem
+
carga/descarga) por peça
I
Fixação
Hidráulica
Fixação
Mecânica
G+F
E
185 s
240 s
Produção diária em função
do tempo
8 ⋅ 3600
H
155 peças
120 peças
J
Custo operacional por peça
8 ⋅ 150
I
R$ 7,74
R$10,00
K
Custo dispositivo por peça
D
A
R$ 0,50
R$ 0,08
R$ 8,24
R$ 10,08
L
Custo produtivo por peça
Fonte: O Autor
Fórmula de
cálculo
J
+
K
Avaliando a Tabela 2 (foi considerada 8 horas diárias de trabalho) conclui-se que
para dispositivos hidráulicos os tempos de usinagem e carga/descarga são equivalentes a 185
segundos do tempo da máquina por peça. Estes 185 segundos, por peça, são equivalentes à
9
produção de 155 peças por dia de 8 horas, a um custo adicional de R$7,74 por peça em função
do custo da máquina de R$150,00 por hora. O custo do dispositivo hidráulico é de R$0,50 por
peça. Desta maneira, foi adicionado ao custo da peça apenas R$8,21 ou um aumento
aproximado de 33%.
Fazendo a mesma análise para um dispositivo com sistema de fixação mecânico,
tem-se que os tempos de usinagem e carga/descarga são equivalentes há 240 segundos por
peça. Esse tempo equivale à produção de 120 peças por dia de 8 horas, a um custo adicional
de R$10,00 por peça, com o custo da hora máquina a R$150,00. O custo do dispositivo
mecânico é de R$0,08 por peça. Ou seja, foi adicionado ao custo da peça R$10,06 ou um
aumento de aproximadamente 40%.
Como visto, partindo de uma visão superficial do problema, a implementação de um
sistema mecânico de fixação parece mais acessível, entretanto após uma análise mais
profunda, considerando a alta produção, o contrário fica comprovado.
2.1.2 Dispositivos de fixação
Dispositivos de fixação são utilizados para posicionar peças em centros de usinagem,
seja este horizontal ou vertical. Os fixadores que são acoplados a este dispositivo, podem ser
classificados pelas seguintes características:
Quanto à alimentação: para que o grampo de fixação automático seja acionado, é
necessário alimentá-lo com algum fluido para sua movimentação. Essa alimentação pode ser
hidráulica ou pneumática.
Quanto ao mecanismo de retorno: os cilindros de fixação podem ser classificados em
cilindros de simples e de dupla ação quando observado o mecanismo de retorno do êmbolo.
Cilindros de simples ação funcionam com a pressão no embolo (fixação) acionado pelo fluido
de alimentação e o retorno (liberação) acionado por uma mola, como ilustra a Figura 3. Já em
cilindros de dupla ação tanto a pressão quanto o retorno são acionados pelo fluido. Por se
tratar de um componente automático, há a possibilidade de fazer com o que o cilindro gire
automaticamente ao se movimentar, facilitando assim a retirada da peça do dispositivo.
Avaliando a figura 4 é possível saber como podem ser classificadas as opções de
fixação de uma peça durante o processo de usinagem.
10
Figura 4 – Opções de fixação
Fonte: O Autor
A figura 5 a seguir mostra, basicamente, diferença construtiva entre um cilindro de
simples ação e um de dupla ação. O de simples ação possui o retorno do cilindro acionado
mecanicamente por uma mola, enquanto o de dupla ação o mesmo fluido que aciona a fixação
deve acionar o retorno.
Figura 5 – Cilindros de dupla e simples ação
Fonte: O Autor
11
2.2 USINAGEM
Neste processo de fabricação, duas das mais importantes variáveis são reduções do
tempo de preparação e repetibilidade do processo. A primeira refere-se a tempos de troca de
ferramentas de corte, troca de dispositivos de fixação, troca de peças no dispositivo, ou seja,
todo tempo morto da máquina (tempo em que a máquina fica parada). A segunda depende
principalmente de três itens: máquina, ferramenta de corte e dispositivo de fixação. É nos
dispositivos de fixação onde é encontrada a maioria das razões da falta de repetibilidade do
processo.
Um dos aspectos mais importantes do tempo de ciclos na usinagem é o tempo de
posicionamento, fixação e liberação de peças. O tempo destas operações pode ser melhorado
com o uso de componentes hidráulicos de fixação de peças, permitindo maior eficiência e
menores custos.
A compreensão do comportamento e da grandeza dos esforços de corte no processo
de usinagem é de fundamental importância, pois eles afetam diretamente vários fatores, entre
eles a carga necessária para a fixação da peça para o processo.
Teoricamente a força de usinagem equivale à força resultante que atua sobre a cunha
cortante durante a usinagem. Nem a direção nem o sentido da força de usinagem são
conhecidos, tornando-se impossível medí-la. Desta maneira não se trabalha com a força de
usinagem propriamente, mas sim com seus componentes segundo diversas direções
conhecidas (DINIZ, 2000).
Para o dimensionamento de dispositivos de usinagem, no cálculo da força de fixação
são consideradas as fórmulas de cálculo utilizadas pela fabricante de cilindros hidráulicos de
fixação (ENERPAC, 2002):
Fc =
Pot ⋅ 48000
Vc
Onde:
Fc = Força de corte [N]
Pot = potência da máquina com 80% de eficiência [kW]
Vc = velocidade de corte [m/min]
(1)
12
MRR =
W ⋅ D ⋅ R ⋅ N ⋅ RPM
1000
(2)
Onde:
MMR = taxa de remoção do material [cm3/min]
W = largura do corte [mm]
D = profundidade do corte [mm]
R = avanço por dente [mm]
N = número de dentes na ferramenta
RPM = velocidade do fuso da máquina
RPM f =
MPM ⋅ 1000
π ⋅d
(3)
Onde:
RPM f = rotação da ferramenta de corte [rpm]
MPM = velocidade de superfície da ferramenta de corte [m/min]
d = diâmetro da ferramenta [mm]
Fabricantes internacionais de cilindros de fixação (ENERPAC e RÖEMHELD)
indicam que para sistemas de fixação mecânica é usual um coeficiente de segurança igual a 2
enquanto que para sistemas hidráulicos o valor é de 1,5; isso devido a uma maior
confiabilidade no sistema hidráulico. A força necessária para fixar a peça com segurança é
igual ao produto da força de corte pelo coeficiente de segurança determinado. As equações 1,
2 e 3 são utilizadas para quantificar a força de corte.
Ainda, ao se projetar um sistema de fixação hidráulico, deve-se considerar o seu
funcionamento utilizando apenas 50 a 75% de sua pressão máxima de trabalho (ENERPAC,
2002). Isto deixa reserva para uma futura otimização do processo, quando houver necessidade
de mais força de fixação para mais avanço e maiores velocidades. Isto porque se o dispositivo
for projetado para valores máximos, não existe qualquer reserva, limitando o sistema.
13
2.3 HIDRÁULICA
A hidráulica é o ramo da ciência que estuda os fluidos em movimento e suas
aplicações práticas. A transmissão de força ou movimento, através de um fluido sob pressão
em um sistema hidráulico, é empregada em uma grande variedade de aplicações. Nenhum
outro meio combina o mesmo grau de versatilidade de utilização, precisão, segurança e
flexibilidade de controle de pressão e seqüência, com a capacidade de transmitir forças muito
grandes, por sistemas leves e compactos (FOX, 2001).
O princípio básico que rege a hidráulica é a Lei de Pascal: “A pressão aplicada sobre
um ponto de equilíbrio, confinado num recipiente fechado, se transmite integralmente em
todas as direções dentro da massa fluida”. Na prática, isso significa que os líquidos, por serem
incompressíveis, podem transmitir e multiplicar forças e realizar trabalho. Isso é realizado
através dos componentes de um sistema hidráulico.
Existem duas formas básicas de transmissão de força hidráulica: hidrostática e
hidrodinâmica (IPIRANGA, 1988). Os sistemas hidrostáticos utilizam uma bomba de
deslocamento positivo que pressiona o fluido para dentro do sistema. A força é transmitida
pela pressão do fluido, sem grandes alterações na velocidade do mesmo. Este tipo de sistema
é empregado basicamente para transmissão e multiplicação de forças, havendo grande
variedade de formas e funções, sendo usado para operar e controlar máquinas, praticamente
em todos os segmentos da indústria. Os sistemas hidrocinéticos ou hidrodinâmicos utilizam a
energia cinética gerada pelo movimento do fluido em um sistema, para obter trabalho útil. A
velocidade do fluido aciona as partes de um motor ou turbina hidráulica, obtendo-se assim
força e energia. Os acoplamentos fluidos e conversores de torque utilizam este tipo de
sistema.
Como este projeto trata do desenvolvimento de um cilindro hidráulico que deve ser
alimentado com o fluido por meio de uma bomba hidráulica, este sistema é considerado
hidrostático.
2.3.1 Circuitos hidráulicos
Muitos sistemas hidráulicos parecem extremamente complicados, porém, sua
configuração básica é bastante simples. A despeito de sua complexidade ou simplicidade, os
14
circuitos hidráulicos possuem quatro componentes essenciais: um tanque (reservatório) que
armazena o fluido; uma bomba para fornecer ao fluido, energia e pressão, que serão
transformados em energia mecânica pelo atuador (a bomba é acionada por um motor elétrico
ou outra fonte de energia mecânica); válvulas que controlam a vazão e pressão do fluido; um
atuador que transforma energia de pressão em energia mecânica (cilindro ou pistão para
fornecer força ou movimento linear, atuador rotativo ou motor para produzir torque e
movimento rotativo).
Os sistemas hidráulicos podem ser projetados de forma a produzir praticamente
qualquer combinação de forças ou movimentos. Desta maneira, a quantidade de componentes
utilizados e o arranjo do mesmo no circuito, variam conforme a aplicação e efeitos de trabalho
desejados.
2.3.2 Tipos de fluidos hidráulicos
Existem diversos tipos de fluidos utilizados em sistemas hidráulicos. A seguir é
apresentada uma breve introdução de cada tipo e o foco em óleo mineral, que é o fluido
utilizado no acionamento do componente projetado.
2.3.2.1 Água
A água é excelente fluido quanto à transmissão de energia (elevado coeficiente
volumétrico), com um alto poder refrigerante. É inerte e não contaminante do ambiente nos
casos de vazamento, sendo quimicamente compatível com quase todos os materiais dos
retentores, além de ser absolutamente não inflamável.
A água continua sendo um recurso lógico para os sistemas que não reciclam ou que
necessitam de um volume muito grande de fluido, para sistemas com perdas inerentes e muito
elevadas e para condições que implique em risco de segurança na operação (inflamabilidade,
toxides e contaminação), como por exemplo os sistemas hidráulicos de alguns equipamentos
que operam em minas subterrâneas. Entretanto, não é adequado para ambientes com
temperaturas elevadas, devido ao seu baixo ponto de ebulição e grande velocidade de
evaporação. Principais inconvenientes da água:
a) Não possui características lubrificantes;
15
b) Provoca a corrosão dos componentes e das tubulações;
c) Tem uma viscosidade muito baixa, dificultando a estanqueidade e reduzindo o
rendimento do sistema;
d) Possui um ponto de congelamento elevado (0º C), podendo causar danos
consideráveis no caso de congelamento, devido à dilatação do fluido no sistema;
e) Possui baixo ponto de ebulição, limitando a faixa de operação.
Os três primeiros inconvenientes citados podem ser compensados através de aditivos,
embora não se deva considerar a água um fluido adequado para os sistemas hidráulicos atuais,
a não ser para casos excepcionais citados e para os especialmente projetados e construídos
para o seu uso, tanto pelos seus inconvenientes próprios como pelo menor rendimento obtido
em comparação com outros tipos de fluidos hidráulicos.
2.3.2.2 Emulsões de água e óleo
São usados em sistemas que normalmente são projetados para usar água como fluido
hidráulico. A adição de óleo solúvel na água, normalmente na proporção de 1 a 5% de óleo
em volume, serve para melhorar as propriedades lubrificantes e proteger componentes do
sistema contra a ferrugem (IPIRANGA, 1988).
Os sistemas que utilizam emulsões de óleo em água requerem bombas, válvulas e
outros componentes especiais, estando sua faixa de temperatura de operação limitada até 65ºC
as considerações deste tipo de fluido no que diz respeito às aplicações e às restrições são as
mesmas comentadas anteriormente para a água (IPIRANGA, 1988).
2.3.2.3 Óleos Minerais
Os óleos minerais a base de petróleo são os mais utilizados em circuitos hidráulicos.
Normalmente são óleos fabricados a partir de básicos selecionados, que passam por processos
de refinação e tratamento, podendo ser utilizados nos mais diversos tipos de sistemas e nas
mais exigentes condições operacionais, com as seguintes características principais
(IPIRANGA, 1988):
a) São compatíveis com a maioria dos materiais comumente utilizados nos sistemas;
16
b) Possuem características de viscosidade que satisfazem os requisitos exigidos pela
bomba hidráulica e os outros componentes do sistema;
c) São utilizados em ampla faixa de temperatura;
d) Têm boas características lubrificantes, suportando altas cargas e evitando o
desgaste das partes móveis;
e) Protegem as superfícies metálicas contra a corrosão e ferrugem;
f) São resistentes à formação de espuma e à absorção do ar, separando-se
facilmente da água;
g) Possuem boa estabilidade química em altas temperaturas, trabalhando por longos
períodos no sistema sem deterioração ou formação de borras e depósitos
prejudiciais;
h) São de baixo custo relativo.
Além disso, aos óleos minerais podem ser adicionados aditivos químicos que
permitem adaptá-los para utilização em condições especiais de serviço, assegurando uma
melhor performance ao sistema hidráulico. Os principais tipos de óleos hidráulicos minerais
são:
a) Óleos não aditivados: Devido a seu menor custo, são normalmente usados em
sistemas onde existem grandes perdas de óleo, em serviços de baixas pressões e
onde não exista severidade ou responsabilidade na operação. Sua característica de
desgaste em comparação com os óleos aditivados é uma maior oxidação quando
sujeitos às altas temperaturas. A qualidade destes óleos pode variar conforme o
tipo de óleo básico utilizado e o processo de refrigeração e tratamento utilizados.
b) Óleos aditivados: São os tipos de fluidos hidráulicos mais utilizados. Apresentam
um custo maior que os óleos não aditivados, pois são produzidos a partir de óleos
básicos selecionados e altamente refinados, além de possuírem aditivos antiferrugem, anti-oxidante, anti-espumante, antidesgaste e desumidificante. Em
alguns tipos, utilizam-se também aditivos abaixadores de pontos de fluidez,
melhorador do índice de viscosidade, detergente/dispersante e antigotejante. A
qualidade e performance desses óleos podem variar conforme o óleo básico, os
tipos e a quantidade dos aditivos utilizados.
c) Óleos tipo automotivo: Este tipo de óleo é normalmente usado em equipamentos
tipo Móbile (tratores e caminhões) onde, por conveniência e condições
17
operacionais, utiliza-se o mesmo tipo de óleo lubrificante do motor ou da
transmissão, na viscosidade adequada. Também são utilizados como fluido
hidráulico industrial, como alternativa na falta do óleo hidráulico industrial
regular.
2.3.2.4 Fluidos Água-Glicol
As soluções de água-glicol da mistura de 30 a 60% de água com etileno ou propileno
glicol estão sendo utilizadas em sistemas onde existam riscos de incêndio ou que operem em
temperaturas muito baixas. A resistência ao fogo e ao congelamento desta solução é
proporcional a quantidade de água. Com menor proporção de água, a resistência ao fogo
decresce, e a viscosidade e a resistência ao congelamento aumentam. Desta forma, devem ser
feitas análises freqüentes do fluido, para que não seja afetado o funcionamento do sistema. A
vida útil deste fluido é menor do que a do óleo mineral ou dos fluidos sintéticos.
2.3.2.5 Emulsões de Óleo em Água
São usadas em sistemas hidráulicos onde existam riscos de incêndio, sendo o fluido
resistente ao fogo mais barato. Este tipo de fluido, também conhecido como “emulsão
invertida”, consiste basicamente numa solução de óleo mineral, água na proporção de 40 a
60% e um agente emulsificante. Pequenas variações na percentagem de água acarretam
grandes variações na viscosidade da solução e na sua capacidade de extinguir chamas.
Em geral, suas aplicações são limitadas a sistemas ou componente que não possuem
grandes tensões de deslizamento localizado, como por exemplo, bombas de palhetas de alta
velocidade e grandes pressões ou mancais de rolamentos. A vida útil dos componentes é
menor do que quando se usam óleos minerais, dependendo esta redução do ciclo de trabalho,
temperatura e percentagem de água contida no fluido (IPIRANGA, 1988).
2.3.2.6 Fluidos Sintéticos
Os fluidos sintéticos, normalmente a base de fosfato de ésteres, ésteres complexos,
aromáticos de alto peso molecular, cloridratos de hidrocarbonetos, possuem estruturas
18
químicas que oferecem resistência à propagação do fogo. Possuem boas propriedades de
lubrificação, sendo comparáveis aos óleos minerais quanto às características de desempenho
hidráulico.
Os fluidos sintéticos têm um coeficiente volumétrico mais elevado que os outros
fluidos, sendo mais resistentes quanto aos efeitos da compressibilidade em altas pressões.
Geralmente não são corrosivos, mas sob certas condições atacam o alumínio e suas ligas; não
protegem contra a oxidação das superfícies de metais ferrosos tanto quanto os óleos minerais
(IPIRANGA, 1988).
Os fluidos sintéticos indicados para sistemas que operam em altas temperaturas,
podendo trabalhar até 150ºC sem degradação. Possuem grande vida útil, com baixo custo de
manutenção. Os princípios inconvenientes dos fluidos sintéticos é o seu elevado custo de
aquisição e sua incompatibilidade com a maioria dos tipos de elastômeros utilizados em
vedações e juntas, pinturas e materiais isolantes do sistema elétrico (IPIRANGA, 1988).
Os fluidos sintéticos são empregados principalmente em sistemas hidráulicos de
aviação, onde o custo adicional do produto é secundário frente a resistência ao fogo no caso
de vazamentos ou avarias do sistema. Normalmente são indicados para sistemas hidráulicos
que trabalham em condições severas ou de grande precisão, pois o custo elevado do fluido
requer um sistema absolutamente livre de vazamentos em condições normais de
funcionamento (IPIRANGA, 1988).
2.3.2.7 Fluidos de Silicone
Os silicones são fluidos bastante caros, quase proibitivos para aplicações que não são
muito especializadas. São adequados para trabalho em altíssimas temperaturas (até 360 ºC),
além de possuírem um índice de viscosidade muito elevado, que mantém sua viscosidade a
níveis aceitáveis nas temperaturas mais altas. Os fluidos exclusivamente a base de silicones
apresentam grandes limitações quanto as propriedades lubrificantes e antidesgaste, assim
como certo grau de incompatibilidade com alguns metais em altas temperaturas e com alguns
tipos de elastômeros. Para trabalhar em temperaturas superiores a 150 ºC são os únicos fluidos
disponíveis no mercado. Todos os fluidos de silicone são resistentes ao fogo, porém, por seu
custo ser maior que dos fluidos sintéticos, sua escolha não deve ser baseada exclusivamente
nesta propriedade (IPIRANGA, 1988).
19
2.3.2.8 Óleos Vegetais
O uso de óleos vegetais a base de mamona ou ricínio em sistemas que trabalham em
baixas temperaturas já foi muito difundido. A razão era que tais fluidos podiam ser utilizados
com juntas e vedações de borracha natural, sem deterioração das mesmas. Como as atuais
vedações a base de elastômeros possuem melhores características em baixas temperaturas,
esta vantagem não é mais levada em conta, embora fluidos a base de óleos vegetais ainda
sejam utilizados em determinados sistemas (por exemplo, como fluido de freio para veículos)
(IPIRANGA, 1988).
Os fluidos a base de óleos vegetais oferecem a vantagem de possuírem um elevado
coeficiente volumétrico (baixa compressibilidade), sendo indicados para aplicações onde
existam pressões muito elevadas. Também são bons lubrificantes, ainda que não melhores que
os óleos minerais ou sintéticos (IPIRANGA, 1988).
2.3.3 Seleção de fluidos hidráulicos
A seleção correta de um fluido hidráulico para um determinado sistema, deve-se
basear no conhecimento prévio do tipo de bomba, nas condições de funcionamento,
características operacionais e de projeto e aplicações do sistema. Normalmente, os fabricantes
dos sistemas hidráulicos já determinam em projeto o tipo e as características que o fluido
deverá possuir para fazer o sistema funcionar em condições ideais. Na prática, devido às
condições ambientais, operacionais e de manutenção, torna-se necessário adequar o fluido
para se obter melhor rendimento.
As características dos fluidos têm um importante efeito sobre a seleção do fluido
adequado, sendo que cada característica particular de um determinado fluido pode alterar ou
influenciar as condições de projeto, operação, manutenção e rendimento global dos sistemas.
Os principais requisitos que um fluido hidráulico deve possuir são (IPIRANGA, 1988):
a) Boa fluidez a baixas temperaturas;
b) Não se inflamar em altas temperaturas;
c) Ter a mínima variação de viscosidade com a temperatura;
d) Proteger superfícies metálicas contra a corrosão e ferrugem;
20
e) Ser quimicamente estável;
f) Lubrificar e proteger contra o desgaste as partes em movimento;
g) Ser compatível com os materiais componentes do sistema;
h) Alto coeficiente de transferência de calor;
i) Custo acessível;
j) Separar-se com facilidade da água;
k) Não formar espuma;
l) Liberar o ar absorvido rapidamente;
m) Não ser tóxico ou poluente.
A consideração básica na seleção de um fluido hidráulico é a sua qualidade,
conforme aspectos citados acima. Deve manter-se por um longo período em serviço e possuir
características que reduzam a manutenção e aumentem o desempenho do sistema. A qualidade
do fluido é fundamental nas instalações criticas e de alta confiabilidade; em instalações não
criticas e onde existam grandes perdas, a utilização de um fluido mais econômico ou com
características intermediárias, pode ser a escolha mais adequada.
2.3.3.1 Características físico-químicas para a seleção de um fluido hidráulico
As características físicas químicas mais importantes para a seleção de um fluido
hidráulico são viscosidade, índice de viscosidade, estabilidade à oxidação, demusibilidade,
proteção antidesgaste, baixo ponto de fluidez, proteção contra corrosão e ferrugem
(IPIRANGA, 1988).
VISCOSIDADE: é a medida da resistência oferecida por qualquer fluído (líquido ou gás) ao
movimento ou ao escoamento. É a propriedade principal de um lubrificante, pois está
diretamente relacionada com a capacidade de suportar cargas, ou seja, quanto mais viscoso for
o óleo, maior será carga suportada. A viscosidade é a conseqüência do atrito interno de um
fluído, isto é, da resistência que um fluído oferece ao movimento, daí a sua grande influência
na perda de potência e na intensidade de calor produzido nos mancais. A viscosidade de um
óleo varia com a temperatura, sendo inversamente proporcional à mesma (LUBRINORTE,
2005). O fluido deve ter uma viscosidade alta o suficiente para prover uma lubrificação
21
adequada em temperaturas elevadas, sem causar funcionamento irregular do sistema pela
perda de carga excessiva através dos componentes. Deve ter uma viscosidade baixa o
suficiente para permitir um fluxo adequado nas partidas a baixas temperaturas e penetrar entre
as folgas dos componentes para lubrificá-los sem causar perdas por vazamentos ou cavitação
na aspiração da bomba. Como referência, a classificação de viscosidade ISO referente a óleos
industriais estabelece uma série de 18 graus de viscosidade cinemática a 40ºC. Os números
que designam cada grau de viscosidade ISO representam um ponto médio de uma faixa de
viscosidade (Tabela 3).
A faixa de temperatura de operação de um fluido hidráulico varia entre 15 a 65ºC. Se
o fluido é submetido a temperaturas fora desta faixa, recomenda-se usar um aquecedor ou
resfriador no sistema. O ideal é manter o fluido numa temperatura em torno de 40ºC. Como
orientações gerais são recomendados e aceitos pela maioria dos fabricantes de bombas
hidráulicas, os limites de viscosidade, mostrados na Tabela 4.
Tabela 3 - Classificação de óleos industriais (viscosidade)
Grau de
viscosidade
ISO – VG
Limite de Viscosidade cSt a 40ºC
Min
Max
Grau de
viscosidade ISO
– VG
Limite de Viscosidade cSt a 40ºC
Min
Max
2
1,98
2,42
68
61,2
74,8
3
2,88
3,52
100
90
110
5
4,14
5,06
150
135
165
7
6,12
7,48
220
198
242
10
9
11
320
288
352
15
13,5
16,5
460
141
506
22
19,8
24,2
680
612
748
32
28,8
35,2
1000
900
1100
46
41,4
50,6
1500
1350
1650
Fonte: IPIRANGA, 1988
Tabela 4 - limite de viscosidade do fluido em bombas hidráulicas
Mínima viscosidade do fluido na temperatura de operação
10 cSt
Máxima viscosidade do fluido na temperatura de operação
Bombas de pistões
65 cSt
Bombas de engrenagens
215 cSt
Máxima viscosidade do fluido na temperatura de partida
Bombas de pistões axiais
215 cSt
Bombas de pistões radiais, de engrenagens e de palhetas
Fonte: IPIRANGA, 1988
860 cSt
22
O ÍNDICE DE VISCOSIDADE: é um valor numérico que indica a variação da viscosidade
em relação à variação de temperatura. Fluidos com alto índice de viscosidade possuem uma
pequena variação da viscosidade com a temperatura. O índice de viscosidade tem grande
importância para fluidos que trabalham em sistemas que não possuem um controle adequado
ou que estão sujeitos a grandes variações de temperatura (IPIRANGA, 1988).
ESTABILIDADE À OXIDAÇÃO: oxidação é a causa principal da deterioração química de
um óleo mineral ou sintético. A oxidação é ativada pelo calor, pela reação do oxigênio do ar
(acelerada com a agitação do fluido) e pela presença de contaminantes e partículas metálicas,
que podem atuar como agentes catalisadores. A resistência de um óleo mineral à oxidação
varia muito conforme o tipo de óleo básico utilizado e os tratamentos de refino que ele recebe.
Para uma longa vida em serviço, livre de problemas operacionais e de manutenção, um alto
grau de estabilidade à oxidação é essencial num bom fluido hidráulico (IPIRANGA, 1988).
DEMULSIBILIDADE: é a capacidade que um fluido tem de se separar rapidamente da água.
Um fluido hidráulico deve possuir boa demulsibilidade, para que a água livre presente no
sistema possa ser drenada. Água no sistema hidráulico provoca ferrugem e corrosão dos
componentes, além de causar a separação dos aditivos, diminuindo a vida útil do fluido.
(IPIRANGA, 1988).
PROTEÇÃO ANTIDESGASTE: o fluido hidráulico deve lubrificar as partes em movimento
dos componentes do sistema e reduzir o seu desgaste (IPIRANGA, 1988).
BAIXO PONTO DE FLUIDEZ: a menor temperatura na qual o fluido escoa, é denominada
ponto de fluidez. Em condições de operação em baixas temperaturas, um fluido hidráulico
deve manter satisfatoriamente sua fluidez, a fim de não se congelar ou causar restrições a
circulação da bomba aos componentes de trabalho. Para esta propriedade do fluido, deve-se
levar em consideração a menor temperatura na qual o sistema irá operar e aí então selecionar
um óleo hidráulico com ponto de fluidez inferior a esta temperatura (IPIRANGA, 1988).
PROTEÇÃO CONTRA A CORROSÃO E A FERRUGEM: é muito difícil manter um
sistema hidráulico convencional livre da água e de outros contaminantes. A maioria dos
sistemas possui componentes feitos de materiais ferrosos, que tem tendência à oxidação e aos
ataques corrosivos sob certas condições, ocasionando muitos problemas ao funcionamento do
sistema. Os óleos minerais, entre todos os fluidos, são os que possuem as melhores
características de prevenção da corrosão e ferrugem (IPIRANGA 1988).
Para o acionamento de sistemas hidráulicos de fixação de peças no processo de
usinagem seriada, é utilizado óleo hidráulico mineral, sem aditivos. Esse óleo é selecionado
23
partindo das características da tabela 5 abaixo. Destaca-se ainda a característica que a maioria
dos atuadores hidráulicos (bombas) é projetada para trabalhar com esse tipo de fluido.
Tabela 5 – Características de fluidos
Fluido
Preço
Viscosidade
Características
lubrificantes
Ponto de ebulição
Rendimento
Água
Emulsões de água em óleo
Óleos minerais
Emulsões de óleo em água
Fluidos sintéticos
Fluidos de silicone
Óleos vegetais
Muito baixo
Baixo
Baixo
Baixo
Alto
Muito Alto
Baixo
Muito Baixa
Baixa
Alta
Baixa
Alta
Muito Alta
Alta
Muito Baixo
Baixo
Alto
Muito Baixo
Alto
Alto
Alto
Muito Baixo
Baixo
Alto
Baixo
Alto
Muito Alto
Baixo
Muito Baixo
Baixo
Alto
Baixo
Alto
Muito Alto
Baixo
Fonte: O Autor
2.4 VEDAÇÃO
Dentre os inúmeros tipos e variedades de borrachas existentes no mercado brasileiro,
caracteriza-se a borracha nitrílica como a mais utilizada nos diversos setores da atividade
industrial.
É uma borracha sintética obtida da polimerização de Butadieno com o Nitril Acrílico.
O termo Buna vem das iniciais de Butadieno e Nitrium (sódio), matéria prima e catalisador no
processo original. Recomenda-se o uso de Buna-N nas vedações em geral, óleos à base de
graxa, água, óleo de silicone, lubrificantes à base de éster, fluidos à base de etileno glicol,
freon 11 e 12, GLP e gasolina (SAE J120R Classe 1) (GRUPO WEB MASTER, 2005).
A borracha nitrílica começou a ser usada pela indústria devido a uma série de
solicitações. Com a II Guerra Mundial, praticamente toda a produção ficou canalizada para
fins militares, e hoje abrange todo parque industrial na fabricação de peças. A principal
característica destes elastômeros é sua resistência ao óleo. Esta resistência refere-se à
capacidade do produto vulcanizado em conservar suas propriedades físicas originais tais como
tensão de ruptura, resistência à abrasão e estabilidade dimensional quando em contato com
óleos e combustíveis de modo geral. Esses elastômeros nitrílicos, pelas suas características,
são usados numa linha muito variável de produtos, como: mangueiras para óleos e solventes,
retentores, gaxetas, juntas, tubos, anéis o-ring, revestimentos de cilindros e de tanques (RED,
2005). Quando misturados com PVC, apresentam propriedades interessantes para artigos que
24
requerem resistência a óleos, a intempéries e a abrasão. A associação com PVC é positiva,
dado que as borrachas nitrílicas são de natureza polar e servem como adesivos de peça de
PVC entre si e de PVC com metal e colagem de sapatos. Estas misturas são resistentes ao
ozônio e às intempéries e apresentam maior brilho nos extrudados e moldados, bem como
permitem obter cores brilhantes, além de resistirem à abrasão e a óleos. Os vulcanizados de
borracha nitrílica são apropriados para desempenhos até 121ºC sob uso contínuo e em
determinadas condições (imersão em óleo e ausência de ar) (ANEIS RCS, 2005).
Para o bom desempenho dos vedadores, é de extrema importância, na especificação
de seu material que o mesmo seja compatível com o fluido a ser vedado e que a temperatura
de trabalho não ultrapasse os valores admissíveis.
É importante lembrar que nos vedadores dinâmicos, no lábio de vedação há um
acréscimo de temperatura provocado pelo atrito entre o lábio e a superfície deslizante, que
para este projeto será considerado irrelevante, visto que o movimento do cilindro na camisa é
de pequeno curso e não chega a provocar aquecimentos significativos nos componentes.
Em sistemas onde o fluido a ser vedado não tem características de lubrificação
recomenda-se projetar uma fonte de lubrificação. Em certos sistemas é preferível que haja
uma pequena perda de lubrificante a deixar que o lábio de vedação trabalhe seco.
A dureza do lábio de vedação também afeta o desempenho dos vedadores, uma vez
que materiais com baixa dureza vedam mais facilmente em superfícies ásperas e melhor se
amoldam ao sistema, embora sejam sensíveis ao desgaste, à abrasão e à extrusão. Portanto, a
dureza tem valor significativo na adaptação do material de vedação ao tipo de vedador ou à
determinada aplicação.
Para a vedação do fluido será utilizado o vedador o’ring. Este tipo de anel é o mais
versátil de todos os vedadores e estão presentes na maioria dos sistemas de vedação. As
vedações com este tipo de vedador podem ser estáticas ou dinâmicas, estando as dinâmicas
sujeitas a movimentos alternativos, a movimentos rotativos ou a uma combinação de ambos.
São aplicados principalmente na hidráulica e na pneumática. São confeccionados em borracha
nitrílica com dureza de 70 shore A, podendo trabalhar em temperaturas que variam de –50ºC
a +110ºC. Este tipo de vedação suporta pressões de até 250bar.
25
2.5 ESCOLHA DE COMPONENTES COMERCIAIS
Os componentes que não são detalhados no projeto de fabricação (parafusos, esferas,
fluidos e vedações), são comerciais e encontrados facilmente em lojas especializadas. A
escolha desses itens segue catálogos fornecidos pelos fabricantes dos respectivos produtos. Os
itens comerciais e padronizados foram definidos somente através de especificações. O estudo
mais aprofundado deles não faz parte do escopo do trabalho.
No caso da vedação, a loja Anéis RCS fornece catálogo específico de todas as
dimensões necessárias para especificação do tamanho da vedação bem como as dimensões
dos alojamentos da vedação escolhida. Os anéis “o” não exigem tolerâncias construtivas dos
alojamentos muito apertadas, ficando geralmente na faixa de décimo de milímetro. Esses
anéis são fáceis de encontrar no mercado e possuem um custo reduzido comparado com
demais vedações.
O fluido hidráulico escolhido, óleo mineral, também é de fácil aquisição.
Comparando com demais fluidos hidráulicos (sintéticos e de silicone) possui preço inferior e
atende a todas as exigências do projeto (seção 2.3). Ressalta-se ainda que a maioria dos
componentes hidráulicos comerciais (cilindros, bombas, etc.) trabalha com esse tipo de fluido.
26
3 CILINDRO HIDRÁULICO
O cilindro hidráulico é um conjunto composto de diversos itens, alguns comerciais
outros que necessitam ser fabricados. São eles:
•
Pistão (haste);
•
Camisa;
•
Tampa;
•
Parafusos de fixação;
•
Anéis de vedação;
•
Esferas
A Figura 6 mostra uma imagem do conjunto montado e a uma vista de um corte no
centro desse.
Figura 6 – Conjunto montado do cilindro hidráulico
Fonte: O Autor
27
3.1 DIMENSIONAMENTO
Todos os componentes do conjunto foram dimensionados partindo do pistão, que foi
definido em função de diâmetros de êmbolos já existentes. Como a intenção é projetar um
componente que possua a mesma funcionalidade que os existentes no mercado industrial,
tentou-se ao máximo manter as características dimensionais do cilindro com os padrões
comerciais. No apêndice desse trabalho estão todos os desenhos técnicos dos cilindros.
O dimensionamento do pistão, que é o componente que determina a força de fixação
produzida pelo cilindro, baseou-se principalmente nos esforços produzidos pelo processo de
usinagem. Os principais fabricantes de cilindros hidráulicos trazem em seus catálogos as
cargas produzidas pelos seus cilindros. Foi baseado nessa informação, da necessidade de
força, que foi dimensionado esse componente. Características como o curso do pistão e o giro
do mesmo ao se movimentar também seguiram exemplos já existentes. Neste componente é
montado apenas um anel de vedação, que seguiu parâmetros de catálogo do fabricante desse,
que é alojado no êmbolo do pistão. A função deste anel é a de impedir que ocorra qualquer
tipo de ligação entre a linha de pressão e a linha de retorno (Figura 7).
Figura 7 – Ilustração do sistema de alimentação
Fonte: O Autor
28
Do funcionamento do componente, está previsto no pistão a usinagem de três canais
que determinarão o giro do pistão durante seu movimento. A esfera está montada entre a
camisa e o pistão, sendo que nesse ela fica alojada dentro de um canal esférico. Conforme o
fluido é injetado na câmara (pressão ou retorno) da camisa, a esfera fará com que o pistão gire
seguindo o canal. Dependendo da necessidade pode-se montar a esfera em um dos três canais,
escolhendo a melhor configuração em função da sua aplicação (ver Figura 8).
Figura 8 – Giro do pistão
Fonte: O autor.
A camisa do cilindro foi dimensionada a partir do pistão. Como a função da mesma é
alojar as galerias de alimentação do fluido e servir como guia do pistão, tentou-se compactar
ao máximo as suas dimensões externas. Neste componente estão os furos por onde passa o
fluido, o alojamento da esfera de giro, anel de vedação da haste do pistão, esferas de vedação
e furos de fixação do cilindro para o dispositivo.
A tampa foi projetada com a função de isolar a galeria interna da camisa com o meio
externo. É por meio desse componente que é feita a alimentação do cilindro. A fixação da
tampa à camisa do cilindro é feita por meio de parafusos comerciais.
3.2 SELEÇÃO DO MATERIAL DOS COMPONENTES
A seleção do material aplicado aos componentes foi definida levando em
consideração a necessidade especifica de cada item. Isto envolve características como, custo e
29
disponibilidade mais favoráveis, para incorporá-los num projeto que seja seguro, confiável e
compatível com a necessidade de cada um.
Além disso, foram levados em consideração propriedades como tratamento térmico,
tratamento superficial, resistência mecânica, etc.
3.2.1 Material do Pistão
Para o pistão algumas características foram consideradas como principais, para a
seleção correta do material do qual o componente será fabricado:
•
Resistência à abrasão: como o pistão desliza no interior da camisa, o mesmo
deve ser construído de um material resistente à abrasão e com determinada
dureza superficial, para proteger contra o desgaste por abrasão e manter assim as
dimensões originais por um longo tempo de trabalho.
•
Resistência mecânica: é para este componente que o grampo que prende a peça
transfere todos os esforços. Para tanto, a haste do cilindro deve ter uma boa
resistência à tração, à flexão e ainda uma dureza superficial elevada, para que ao
fixar o grampo o mesmo não crave na haste nem a deforme.
•
Boa usinabilidade: esta característica é importante para todos os componentes do
elemento, já que todas as peças serão usinadas e está sendo visado um
componente de baixo custo (inclusive de produção).
•
Tratamento térmico: para se atingir a dureza superficial admitida, o cilindro deve
passar por um processo de cementação (tratamento termoquímico em que se
promove o enriquecimento superficial com carbono), dando assim maior dureza
a camada superficial do mesmo. Com isso consegue-se uma maior resistência à
abrasão.
•
Deformação: como durante o processo de usinagem o componente está sob
forças de tração, o mesmo deve ter a resistência necessária para não se deformar
durante o processo.
A Tabela 6 a seguir mostra os aços recomendados para cementação, suas principais
características e a aplicação.
30
Tabela 6 – Descrição de aços para cementação.
Qualidades
Características
Equivalentes
Aplicações
ABNT 4320; AISI
Boa forjabilidade e soldabilidade e má
4320; SAE 4320
usinabilidade. Aplicado na cementação.
Temperabilidade alta, tenaz, utilizado em
pinhões, coroas dentadas, cruzetas, capas de
rolamento, terminais de direção.
Boa temperabilidade e usinabilidade. Possui
Engrenagens, eixos, parafusos, buchas,
ABNT 8620; AISI
ótima forjabilidade e soldabilidade. Núcleo
acoplamentos, rolamentos de rolos, pinças
8620; SAE 8620
tenaz após cementação. Dureza na condição
para máquinas-ferramenta, cruzetas, pinos
temperada varia de 37 a 43 HRc.
de pistão, diferenciais.
Média temperabilidade. Forjável e soldável.
Endurecimento superficial, eixo ranhurado.
DIN 20MnCr5;
Boa temperabilidade e usinabilidade. Possui
Nos casos em que se deseja endurecimento
ABNT 5119
ótima forjabilidade e soldabilidade.
superficial por cementação.
DIN 16MnCr5;
ABNT 5115
Fonte: GERDAU, 2005.
Levando em consideração as informações citadas foi desconsiderada a aplicação do
aço ABNT 4320 devido à sua má usinabilidade. O aço ABNT 5115 e ABNT 5119 foram
descartados devido ao elevado custo de aquisição ao se comparar com o aço ABNT 8620.
Dentre os aços citados foi escolhido o aço ABNT 8620 devido à sua boa usinabilidade,
facilidade de encontrar no mercado e, em comparação com os demais, o baixo custo de
aquisição. A Tabela 7, a seguir, ilustra a composição química deste tipo de aço.
Tabela 7 - Composição química do aço ABNT 8620
Elemento químico
Porcentagem na composição química
Carbono – C
0,18 a 0,23%
Manganês – Mn
0,70 a 0,90%
Fósforo máximo – P
0,035%
Enxofre máximo – S
0,040%
Silício – Si
0,15 a 0,35%
Níquel – Ni
0,40 a 0,70%
Cromo – Cr
0,40 a 0,60%
Molibdênio – Mo
0,15 a 0,25%
Fonte: LAMOTERMIC, 2005
31
Segundo a classificação ABNT NBR NM87/2000 este tipo de aço está classificado
como um aço cromo-níquiel-molibdênio de baixa liga, pois possui menos que 0,25% de
carbono em sua composição química. Este tipo de aço é recomendado quando há a
necessidade de cementação, que aumenta a dureza superficial do material. Dentre os métodos
para a transformação de superfícies de materiais metálicos, com o intuito de lhes atribuir
maior desempenho quanto ao desgaste, os métodos difusivos são, sem dúvida, os mais usados
e conhecidos no meio industrial. Entre esses métodos encontra-se o processo de cementação.
3.2.2 Material da Camisa e Tampa
A camisa do cilindro é um dos componentes que não exige especificidades com
relação a esforços mecânicos. Isso porque o componente que estará recebendo diretamente o
esforço de fixação é o pistão. À camisa cabe a função de alojar o fluido de alimentação e
servir como guia de deslizamento para o pistão. Na mesma condição de resistência se
encontra a tampa do cilindro.
Para esses componentes foi escolhido como material de fabricação o aço ABNT
1045. Segundo a classificação quanto à composição, este tipo de aço é considerado de médio
carbono, pois tem em sua estrutura química um percentual de carbono entre 0,3 e 0,5%.
(CALLISTER, 2002). Possui uso geral em aplicações que exigem resistência mecânica
superior ao aço ABNT 1020. Possui tensão de escoamento entre 600 e 950MPa e dureza
Brinell entre 179 e 280, quando laminado a frio e retificado. A Tabela 8 a seguir caracteriza a
composição química deste tipo de aço.
Tabela 8 - Composição química do aço ABNT 1045
Elemento químico
Porcentagem na composição química
Carbono – C
0,43 a 0,50%
Manganês – Mn
0,60 a 0,90%
Fósforo máximo – P
Silício – Si
Fonte: INTERLLOY, 2005
0,04%
0,10 a 0,35%
32
Esses componentes não são submetidos a nenhum tipo de tratamento térmico com a
finalidade de melhor as propriedades mecânicas do material. É previsto apenas um tratamento
superficial anticorrosivo: oxidação negra a quente.
3.3 ESFORÇOS SOBRE OS COMPONENTES
O cilindro de fixação está submetido a cargas quando acionado. Quando for
alimentado com o fluido, o mesmo tende a se movimentar até achar algum ponto fixo de
resistência, e aí então sofre esforço. O cálculo dos esforços aos quais o componente está
submetido está dividido em duas etapas, cálculos de esforços estáticos e esforços dinâmicos.
Como o componente exerce sua função quando está em sua condição estática, as análises
foram realizadas mais profundamente sobre essa situação.
3.3.1 Esforços Estáticos
A Figura 9 (pág. 33) exemplifica o pistão isolado do restante do conjunto. Quando o
conjunto está sob regime de fixação (quando a alimentação é feita na parte superior do
êmbolo) o esforço considerado é na área do êmbolo e da haste (diferença de diâmetros). É
nesta condição que o mesmo sofrerá maior esforço e é nesta condição também que o
componente irá trabalhar (fixação de peças).
O Gráfico 1 mostra os resultados dos esforços de fixação em função da pressão de
alimentação bem como a relação com o diâmetro do embolo do cilindro. Por exemplo, o
cilindro 30x20 refere-se a um cilindro hidráulico com o êmbolo do pistão com diâmetro de 30
milímetros e com uma haste do pistão com diâmetro de 20 milímetros.
Para a construção do gráfico força de fixação versus pressão de alimentação, foi
desconsiderada a parte de ligação do cilindro à fonte de alimentação (mangueiras, conexões,
válvulas, etc.) que poderia gerar eventuais perdas de carga durante o trabalho. Uma vez isso
definido, foi levado em consideração que trata-se de uma função linear (teórica) partindo da
equação que a força de fixação será igual ao produto entre a área de contato do fluido
(diferença de diâmetros entre a haste e o êmbolo) e a pressão de alimentação (ver equação 4,
página 37). Neste projeto, foram desenvolvidos três modelos de cilindros (30x20, 50x25 e
60x30), variando a relação entre diâmetro do êmbolo e diâmetro da haste.
33
Gráfico 1 - Força de fixação versus pressão de alimentação
Gráfico Força versus Pressão
7000
6000
Força (N)
5000
4000
Cilindro 30x20
Cilindro 50x25
Cilindro 60x30
3000
2000
1000
0
0
25
50
75
100
125
150
175
Pressão (bar)
Fonte: O Autor
Figura 9 - Haste do cilindro
Fonte: O Autor
200
225
250
275
300
34
A equação 4 é utilizada para calcular a força de fixação proporcionada pelo pistão
em função da pressão hidráulica de alimentação.
(
)
F = P ⋅ de 2 − di 2 ⋅ π ⋅
1
4
(4)
onde:
F = força de fixação [N]
P = pressão [MPa]
de = diâmetro do embolo do cilindro [mm]
di = diâmetro da haste do cilindro [mm]
Fazendo os cálculos para o cilindro 60x30 com uma alimentação de 30MPa de
pressão temos o resultado obtido na equação a seguir:
(
)
F = 30 ⋅ π ⋅ 60 2 − 30 2 ⋅
1
= 63.615,37 N
4
A tensão sobre o componente pode ser descrita pela equação 5:
σ =
F
A
(5)
onde:
σ = tensão no componente [MPa]
F = força de fixação [N]
A = área da seção analisada [mm2]
A equação a seguir mostra os cálculos:
σ=
63615,37
= 90 MPa
30 2
π⋅
4
O cálculo do coeficiente de segurança é encontrado com a equação 6 para a
aplicação. Para o aço SAE 8620 e SAE 1020 tem-se que tensão máxima à tração (σ max ) é igual
a 393MPa (BEER,1995).
CS =
σ max
σ
(6)
35
Onde:
CS = coeficiente de segurança
Gerando assim, o resultado mostrado na equação a seguir:
CS =
393
= 4,36
90
A Figura 10 mostra o círculo de Mohr para o componente avaliado 60x30, que é
utilizado para avaliar as tensões máximas no elemento, bem como as tensões nos planos
principais.
Figura 10 - Círculo de mohr para cilindro 60x30
Fonte: O Autor
O cálculo da força de fixação sobre o componente do cilindro 50x25 utilizando a
equação 4 considerando a mesma pressão de alimentação (30MPa), pode ser observado na
equação a seguir:
36
(
)
F = 30 ⋅ π ⋅ 50 2 − 252 ⋅
1
= 44.177,34 N
4
Com o resultado e utilizando a equação 5 obtemos:
σ =
44177,34
= 90 MPa
252
π⋅
4
Cálculo do coeficiente de segurança para a aplicação, utilizando a equação 6.
CS =
393
= 4,37
90
A Figura 11 a seguir mostra o círculo de Mohr para o componente avaliado 50x25,
que é utilizado para avaliar as tensões máximas no elemento, bem como as tensões nos planos
principais.
Figura 11 - Círculo de mohr para cilindro 50x25
Fonte: O Autor
37
Cálculo da força de fixação sobre o componente do cilindro 30x20 utilizando a
equação 4 considerando a mesma pressão de alimentação (30MPa).
(
)
F = 30 ⋅ π ⋅ 30 2 − 20 2 ⋅
1
= 11.780,63N
4
Utilizando a equação 5 obtemos:
σ =
11780,63
= 37,50 MPa
202
π⋅
4
Cálculo do coeficiente de segurança para a aplicação, utilizando a equação 6.
CS =
393
= 10,48
37,50
A Figura 12 a seguir mostra o círculo de Mohr para o componente avaliado 30x20.
Figura 12 - Círculo de mohr para cilindro 30x20
Fonte: O Autor
38
Para o regime de liberação do cilindro, que é quando o mesmo avança em sentido a
liberar a peça fixada, os esforços não são consideráveis para o dimensionamento do pistão, já
que esta carga será útil apenas para a movimentação do cilindro, a não ser para o
dimensionamento da camisa. Nessa condição, o fluido está exercendo uma carga no fundo do
êmbolo com força igual à:
P ⋅ d e2 ⋅ π
F=
4
(7)
onde:
F = força [N]
P = pressão de alimentação [MPa]
d e = diâmetro do êmbolo [mm]
Os esforços sobre a camisa do cilindro, são considerados tensões em vasos de
pressão de paredes finas. Como as paredes têm pequena espessura, elas oferecem pequena
resistência à flexão, e pode-se considerar que os esforços internos que atuam em certa porção
da parede são tangentes à superfície do vaso (camisa). Desse modo, as tensões resultantes no
elemento de parede estão contidas em um plano tangente à superfície do vaso de pressão.
Assim as tensões principais em um vaso de pressão são chamadas de tensão tangencial (σ 1 ) e
tensão longitudinal (σ 2 ) (BEER, 1995).
σ1 =
P⋅r
t
(8)
σ2 =
P⋅r
2⋅t
(9)
Onde:
P = pressão [MPa]
r = raio da circunferência interna do tubo [mm]
t = espessura da parede do tudo [mm]
Como mostrado pelas equações 8 e 9, a tensão longitudinal é a metade da tensão
tangencial. Por isso, para fins dimensionais, foi considerada apenas a tensão mais crítica, que
no caso é a tensão tangencial.
39
Os parafusos utilizados na fixação da tampa na camisa do cilindro foram avaliados
com relação à resistência a tração; tração essa ocasionada no momento em que o cilindro é
alimentado na linha de retorno. Nessa situação os parafusos devem ser resistentes o suficiente
para suportarem a carga provocada pela relação da pressão de alimentação pelo diâmetro de
vedação da tampa. As equações utilizadas para o cálculo de resistência dos parafusos foram
extraídas de NORTON, 2004.
At =
π  dp + dr 
⋅
4 
2
(10)
2


Onde:
At = área total sob tração [mm2]
dp = d − 0,649519 ⋅ p
dr = d − 1,226869 ⋅ p
d = diâmetro externo [mm]
p = passo [mm]
τt =
(11)
L
At
τ t = tensão no parafuso [MPa]
L = carga axial de tração [N]
A tabela 9 ilustra a resistência de parafusos ISO classe 12.9.
Tabela 9 – Resistência de parafusos ISO classe 12.9
Diâmetro Externo
Resistência
At [mm2]
Passo [mm]
5 mm
970 MPa
14,18
0,8
6 mm
970 MPa
20,12
1,0
8 mm
970 MPa
28,86
1,25
Fonte: NORTON, 2004
A força de tração para nos parafusos de fixação da tampa é obtida pela equação 12.
40
Fmax = P ⋅ Ar
(12)
Onde:
Fmax = força de retorno [N]
P = pressão do fluido [MPa]
Ar = Área do êmbolo [mm2]
Aplicando a equação 12 para o cilindro de 30x20, com uma pressão de 30MPa no
fundo do êmbolo, tem-se:
Fmax = 21205,125 N
Aplicando quatro parafusos M5 classe 12.9 para a fixação, utilizando os dados da
tabela 8, obtemos:
At = 4 ⋅ 14,18
At = 56,72mm 2
τ=
Fmax
At
(13)
Onde:
τ = tensão no parafuso [MPa]
At = área total sob tração [mm2]
Fmax = força de retorno [N]
τ=
21205,125
56,72
τ = 373,86 MPa
Para o cálculo do coeficiente de segurança dos parafusos, tem-se:
CS =
τ max
τ
(14)
41
Onde:
CS = coeficiente de segurança
τ max = resistência [MPa]
τ = tensão no parafuso [MPa]
CS =
970
373,86
CS = 2,59
Aplicando os mesmos cálculos para o cilindro 50x20, utilizando seis parafusos M6
classe 12.9, tem-se:
Fmax = P ⋅ Ar
(15)
Fmax = 58903,125 N
At = 6 ⋅ 20,12
At = 120,72mm 2
τ=
τ=
F max
At
(16)
58903,125
= 487,93MPa
120,72
CS =
CS =
τ max
τ
(17)
970
= 1,98
487,93
Aplicando os mesmos cálculos para o cilindro 60x30, utilizando seis parafusos M8
classe 12.9, tem-se:
Fmax = 84820,5 N
At = 6 ⋅ 28,86 = 173,16 mm2
τ=
Fmax
At
(18)
42
τ=
84820,5
= 489,83MPa
173,16
CS =
CS =
τ max
τ
(19)
970
= 1,98
489,83
3.3.2 Esforços Dinâmicos
Os esforços dinâmicos são considerados para a determinação do número de ciclos
que o componente pode estar repetindo entre o soltar e o fixar. Variáveis como o tempo que
leva para que o cilindro seja acionado depende da velocidade do fluxo na entrada do fluido no
componente, ou seja, a vazão da bomba que está alimentando o circuito hidráulico.
As determinações dinâmicas são de extrema importância para o conhecimento das
possíveis falhas que podem ocorrer no cilindro. A falha avaliada neste projeto é a fadiga.
A fratura por fadiga resulta do desenvolvimento progressivo de uma trinca sob a
influência de aplicações repetidas de tensões, que são consideravelmente inferiores à tensão
capaz de provocar fratura sob cargas monotonicamente crescente ou mesmo com valores
nominais inferiores ao limite de escoamento do material.
Como a função do cilindro é estar frequentemente sob carga alternada, variando de
zero à tensão máxima de tração, há a necessidade dessa determinação. Classifica-se como
falha por fadiga qualquer falha devido a cargas variantes no tempo (NORTON, 2004). As
equações apresentadas nesse capítulo para cálculo de resistência à fadiga foram todas
retiradas da bibliografia Elementos de Máquina (NORTON, 2004).
Para o material selecionado, como sua resistência à tração (Sut) é inferior à 1400MPa,
considera-se que a resistência à fadiga teórica (Se’) é igual à metade de Sut.
S e ' = 0,5 ⋅ S ut
(20)
S e ' = 0,5 ⋅ 393 =196,5 MPa
Diferenças de temperatura e de meio ambiente entre as condições do ensaio e as
condições a que a peça estará submetida no futuro devem ser levadas em consideração. Esses
43
e outros fatores estão incorporados dentro de um conjunto de fatores de redução da
resistência, que são multiplicados pela estimativa teórica para se obter a resistência à fadiga
corrigida ou o limite de fadiga corrigido para uma aplicação em particular.
S e = C carreg ⋅ C tamanho ⋅ C sup erf ⋅ C temp ⋅ C conf ⋅ S e '
(21)
Onde:
Se = limite de fadiga corrigido [MPa]
Ccarreg = fator devido à solicitação
Ctamanho = fator do tamanho
Csuperf = fator de superfície
Ctemp = fator de temperatura
Cconf = confiabilidade
Para a haste do cilindro, que é o componente que está sendo avaliado dinamicamente,
tem-se os seguintes dados considerando que o componentes está sob força normal, diâmetro
da seção analisada entre 8mm e 250mm, acabamento retificado, temperatura do componente
inferior à 450ºC e confiabilidade de 99% assumindo desvio padrão igual a 8% da média
(NORTON, 2004).
Ccarreg = 0,7
(22)
C tamanho = 1,189 ⋅ d −0, 097
(23)
C sup erf = A ⋅ ( S ut ) b
(24)
A = 1,58
(25)
b = -0,085
(26)
C sup erf = 0,95
(27)
Ctemp = 1
(28)
Cconf = 0,814
(29)
A tabela 10 mostra os valores para o fator do tamanho e limite de fadiga corrigido
para cada tamanho de cilindro considerado.
44
Tabela 10 – Fator do tamanho e limite de fadiga corrigido
Cilindro
Ctamanho
Se [MPa]
30x20
0,889
94,578
50x25
0,870
92,553
60x30
0,855
90,93
Fonte: O autor.
Para o cálculo do número de ciclos de vida para os cilindros utiliza-se a equação 63
(NORTON, 2004).
S m = 0,75 ⋅ S ut
(30)
Onde:
Sm = Resistência do material a 103 ciclos
Sut = Limite de resistência do material à tração.
Para o material selecionado, o valor Sm será igual à 294,75 MPa.
Sn = a ⋅ N b
(31)
Onde a e b são constantes definidas pelas equações 32 e 33 respectivamente
(NORTON, 2004).
log(a ) = log(S m ) − 3 ⋅ b
(32)
1 S 
b = − log m 
3  Se 
(33)
Aplicando as equações 32 e 33, obtém-se os dados ilustrados pela tabela 11 abaixo.
Tabela 11 – Constantes para cálculo de resistência à fadiga
Cilindro
a
b
30x20
2,9629
-0,1645
50x25
2,9737
-0,1681
60x30
2,98
-0,1702
Fonte: O autor.
45
Baseado nos resultados obtidos e na curva S-N gerada, conclui-se que quando o
componente estiver sob esforço de tração com valor inferior ao valor Se do gráfico, esse
apresenta uma vida infinita. Quando o esforço for maior, o cálculo do número de ciclos
obedece à equação 31 e considerando os coeficientes calculados.
O Gráfico 2 ilustra a curva S-N estimada para o cilindro. Como não existe uma
diferença significativa entre os valores de Se, a estimativa serve para os três cilindros
hidráulicos.
Gráfico 2 – Curva S-N estimada para o pistão
Fonte: O Autor
46
4 ANÁLISE DE RESULTADOS
Os cálculos realizados sobre os componentes comprovam que os mesmos estão bem
dimensionados para resistir às solicitações do projeto. Isso pode ser confirmado avaliando os
coeficientes de segurança encontrados nas análises estáticas dos componentes.
O componente do conjunto que recebe os maiores esforços é o pistão. Foram feitas
análises utilizando software de CAE CosmosXpress nos pistões dos três modelos de cilindros,
onde foram avaliadas as regiões onde há o maior acúmulo de tensão utilizando o critério de
Von Mises, e qual é o comportamento da deformação dos mesmos.
As análises CAE realizadas possuem efeito apenas de comparação e verificação de
falhas e a influência da carga sobre o componente, para que seja possível localizar as regiões
mais solicitadas.
Os resultados obtidos com as análises feitas pelo COSMOSXpress estão baseadas
considerando que:
•
O material é isotrópico;
•
O comportamento do material é linear e segue a lei de Hooke;
•
Os deslocamentos induzidos são pequenos o bastante para ignorar mudanças
na dureza devido ao carregamento;
•
Efeitos dinâmicos foram ignorados uma vez que as cargas foram aplicadas
lentamente
Para todas as análises foi considerado que o pistão está fixo na sua face superior e
recebe uma carga de 30MPa no seu êmbolo, tracionando o mesmo simulando a fixação de
uma peça durante o processo de usinagem (Figura 13).
O critério de Von Mises, ou critério da máxima energia de distorção, se baseia na
determinação da energia de distorção de certo material, quer dizer, da energia relacionada
com mudanças na forma do material. Por esse critério um componente estrutural estará em
condições de segurança enquanto o maior valor de energia em distorção por unidade de
volume de o material permanecer abaixo da energia de distorção por unidade de volume
necessária para provocar o escoamento no corpo de prova de mesmo material submetido a
ensaio de tração (BEER, 1995).
47
Figura 13 – Considerações de análise estática.
Parte fixa
30 MPa
Fonte: O Autor
Na análise do COSMOSXpress foram aplicadas as seguintes características para o
material aço liga SAE 8620 (Tabela 12):
Tabela 12 – Características do ABNT 8620 para CAE
Propriedade
Valor
Unidade
Módulo de Elasticidade
210
GPa
Coeficiente de Poisson
0,28
-
Densidade do Material
7700
Kg/m3
Tensão de Escoamento
351
MPa
Fonte: GERDAU, 2005
Para a análise dos pistões foram considerados os dados da Tabela 13 para a análise
CAE.
48
Tabela 13 – Características para análise CAE
Cilindro
Tipo de Malha
30x20
50x25
60x30
Malha Sólida
Malha Sólida
Malha Sólida
Tamanho do Elemento
3,7943 mm
4,6 mm
5,3276 mm
Tolerância
0,18971 mm
0,23 mm
0,26638 mm
Qualidade
Alta
Alta
Alta
Número de Elementos
13.386
20.012
18.907
Número de Nós
20.186
29.265
27.559
FFE
FFE
FFE
Tipo do Solucionador
Massa
0,420189 kg
0,748788 kg
1,19356 kg
Volume
5,45701 . 10-5 m3
9,72452 . 10-5 m3
1,51084 . 10-4 m3
Material
Aço Liga SAE 8620
Aço Liga SAE 8620
Aço Liga SAE 8620
Linear Elástico Isotrópico
Linear Elástico Isotrópico
Linear Elástico Isotrópico
Tipo de Modelo do Material
Fonte: O Autor
A Figura 14 ilustra o resultado obtido com a análise do comportamento da
deformação do pistão 30x20. Avaliando esta figura é possível localizar onde estão os pontos
com maior e menor deformação. A região onde se tem a maior deformação é exatamente onde
o fluido exerce sua função principal, que é empurrar o pistão para baixo. Na região da face
superior do êmbolo a deformação encontrada foi de 0,01267mm.
A Figura 15 traz a imagem gerada pela análise de tensões no modelo 30x20. Esta
ilustração revela que as maiores tensões superficiais estão na região onde termina a haste e
começa o êmbolo. Outro ponto de grande acúmulo de tensões é na rosca que localizada na
ponta da haste (furo superior). Como a utilização desta rosca depende da aplicação do
componente que será montado, no momento não será considerado.
49
Figura 14 – Deformação em pistão 30x20
Fonte: O Autor
Figura 15 – Análise de acúmulo de tensão em pistão 30x20
Fonte: O Autor
50
A Figura 16 representa o resultado obtido com a análise do comportamento da
deformação do pistão 50x25. Nela é possível localizar onde estão regiões com maior e menor
deformação. A região onde se tem a maior deformação é exatamente onde o fluido exerce sua
função principal, que é empurrar o pistão para baixo. Na região da face superior do êmbolo a
deformação encontrada foi de 0,02703 mm. A Figura 17 foi determinada pela análise de
tensões ainda no modelo 50x25. Essa imagem expõe que as maiores tensões superficiais estão
na região onde termina a haste e começa o êmbolo, assim como o cilindro 30x20. A mesma
consideração é feita com relação à rosca.
Figura 16 – Deformação em pistão 50x25
Fonte: O Autor
51
Figura 17 – Análise de acúmulo de tensão em pistão 50x25
Fonte: O Autor
A Figura 18 mostra as deformações no cilindro 60x30. Como nos demais cilindros, a
região onde se tem a maior solicitação é onde o fluido está exercendo sua função. Nesse
modelo a deslocamento máximo, com a carga de 30MPa foi de 0,03065 mm.
A Figura 19 mostra onde há o maior acúmulo de tensões no pistão do cilindro
60x30. Desconsiderando o furo roscado, a região onde se tem maior solicitação, como os
demais modelos, é a região superior do êmbolo.
52
Figura 18 – Deformação em pistão 60x30
Fonte: O Autor
Figura 19 – Análise do acúmulo de tensões em pistão do 60x30
Fonte: O Autor
53
Como a função do cilindro hidráulico é fixar peças em dispositivos de usinagem,
dinamicamente o cilindro não possui grandes solicitações, haja vista que pelos cálculos
realizados o componente não apresenta problemas com relação à fadiga. É por essa razão que
não foram desenvolvidas análises dinâmicas utilizando CAE.
4.1 AVALIAÇÃO DE CUSTOS
Como a partir deste projeto não foi construído nenhum protótipo físico, partiu-se
para a análise do custo de fabricação de um conjunto da maneira como o mesmo foi
desenhado. Os valores apresentados foram baseados em cotações solicitadas a fornecedores
do respectivo tipo de material. A Tabela 14 mostra detalhadamente os custos de aquisição dos
componentes comerciais e de fabricação em uma ferramentaria (dados obtidos em agosto de
2005).
Tabela 14 – Custos de fabricação do componente
Item
Valor
Fornecedor
Tempo de Aquisição
R$ 520,00
MaxxiMicron
5 dias
Anéis O’Ring (conjunto)
R$ 7,00
Voga Vedabras
Pronta entrega
Tratamento Térmico
R$ 35,00
Incomap
1 dia
Retífica após cementação (pistão)
R$ 30,00
Limatec
1 dia
Tratamento Superficial
R$ 12,00
Oxiser
1 dia
Parafusos e esferas (conjunto)
R$ 2,90
Ferramentas Gerais
Pronta entrega
Tampa + Pistão + Camisa (inclui
usinagem e matéria-prima)
Fonte: O autor
Avaliando a Tabela 14, chega-se a um custo de fabricação e aquisição total de R$
606,90 e um prazo de entrega 8 dias fora a montagem. Essas considerações foram feitas para a
confecção de apenas um conjunto. Um componente semelhante no comércio, de procedência
importada, custa em média R$ 2.500,00 e um prazo de aquisição de 40 dias (RÖEMHELD,
2001). Ou seja, mesmo prevendo a incidência de impostos para a comercialização do novo
componente projetado (estima-se 37,5%) e o lucro (em torno de 20%) o valor final fica em
torno de R$ 1.000,39; ainda menos da metade do valor de aquisição do importado.
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5 CONCLUSÃO
Como citado no capítulo anterior, todos os cálculos no final demonstraram que os
componentes estão dimensionados com um coeficiente de segurança satisfatório para a faixa
de trabalho do componente.
As análises realizadas, tanto estáticas como dinâmicas, mostraram que todos os
componentes estão bem dimensionados e que teoricamente não apresentarão problemas no
que diz respeito à resistência mecânica do conjunto.
Todos os componentes comerciais aplicados ao conjunto (parafusos, anéis “o” e
esferas) estão relacionados por fabricantes de qualidade e renome no mercado nacional, e são
fáceis de encontrar em lojas do ramo.
Todos os elementos projetados foram baseados em conceitos já existentes no
mercado. Entretanto o conceito de projeto e funcionamento é diferente. Em todo o
desenvolvimento do projeto foi visada a versatilidade da aplicação do componente e a
simplificação do processo de fabricação.
Não foi fabricado nenhum protótipo físico para testes práticos; contudo todos os
componentes foram desenhados para facilitar a fabricação e simplificar ao máximo esse
processo. A fabricação, tanto a tampa quanto a camisa do cilindro, pode ser feita em qualquer
equipamento convencional de usinagem. Já para a produção da haste é recomendado que o
canal que suporta a esfera de giro do cilindro seja usinada em equipamento de usinagem
CNC, já que é uma área que deve ter um bom acabamento e uma usinagem contínua.
Em cilindros hidráulicos de fixação não se costuma fazer manutenção. Em caso de
colisões, os danos são irreparáveis e o cilindro deve ser substituído. As vedações dos furos
feitos com esfera são realizadas por meio de prensagem da mesma no furo. Uma vez
prensada, a mesma não pode ser desmontada. Foram aplicadas duas esferas, uma para a
vedação do furo de alimentação da linha de pressão e outra para a vedação do furo que serve
como alojamento para a esfera que proporciona o giro da haste quando essa se movimenta.
A redução do custo também se mostrou um fator considerável para o projeto.
Conforme mostrado na seção 4.1, o custo de aquisição de um componente comercial é de
aproximadamente R$ 2.500,00 com prazo de entrega médio de 4 semanas. Quando
comparado com o custo de aquisição dos componentes conforme o projeto detalhado
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(aproximadamente R$ 1.000,00) e prazo de entrega de no máximo 10 dias, fica evidente a
viabilidade do desenvolvimento.
Como o objetivo do projeto foi atingido e todas as análises comprovam isso, a
intenção é dar continuidade ao projeto com a intenção de, futuramente, poder disponibilizar
para consumidores industriais os cilindros hidráulicos.
Após o término deste projeto os autores começarão a avaliar a viabilidade de colocar
alguns protótipos em teste. Essa possibilidade já foi estudada junto aos responsáveis da CR
Usinagem e a princípio a empresa patrocinará a continuidade do projeto.
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REFERÊNCIAS
Materiais
utilizados
nas
peças.
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APÊNDICES