Monopol i 10009790

1

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

Departamento de Engenharia Mecnica

DEM/POLI/UFRJ

PLACA AUTOCENTRANTE DE DUAS CASTANHAS COM TRAVA NO EIXO LONGITUDINAL

Rodrigo Rebello da Motta

PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE

ENGENHARIA MECNICA DA ESCOLA POLITCNICA DA UNIVERSIDADE

FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS

NECESSRIOS PARA A OBTENO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECNICO.

Aprovado por:

________________________________________________ Prof. Jos Stockler Canabrava Filho, PHD.Sc. (Orientador)

________________________________________________ Prof. Flvio de Marco Filho, D.Sc.

________________________________________________

Prof. Anna Carla Monteiro de Araujo, D.Sc.

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL JANEIRO DE 2014

2

da Motta, Rodrigo Rebello

Placa Auto Centrante de Duas Castanhas com Trava no Eixo

Longitudinal / Rodrigo Rebello da Motta. Rio de

Janeiro: UFRJ/ Escola Politcnica, 2014.

X, 57 p.: il.; 29,7 cm.

Orientador: Jos Stockler Canabrava Filho

Projeto de Graduao UFRJ/ Escola Politcnica/

Curso de Engenharia Mecnica, 2014.

Referncias Bibliogrficas: p. 47.

1. Introduo 2. Anlise do processo de usinagem da Vlvula esfera

2.1/16. 3. Projeto do Dispositivo Dedicado para a usinagem da quarta

etapa de usinagem. 4. Clculos de dimensionamento. 5. Anlise de

balanceamento do P.A.C.T.E.L.

I. Stockler Canabrava, Jos. II. Universidade Federal do

Rio de Janeiro, Escola Politcnica, Curso de Engenharia

Mecnica. III. Placa Auto Centrante de Duas Castanhas com Trava

no Eixo Longitudinal.

3

Resumo do Projeto de Graduao apresentado Escola Politcnica/ UFRJ como

parte dos requisitos necessrios para a obteno do grau de Engenheiro Mecnico.

PLACA AUTOCENTRANTE DE DUAS CASTANHAS COM TRAVA NO

EIXO LONGITUDINAL


Janeiro/2014

Orientador: Jos Stockler Canabrava Filho

Curso: Engenharia Mecnica

Com o crescimento do ramo de leo e gs no Brasil as empresas do setor esto

tendo de se modernizar, aprimorando no s seus produtos, mas tambm seus meios de

produo. Utilizada na indstria de leo e Gs, a vlvula esfera API-6 modelo 200 de

2.1/16 foi escolhida por se apresentar como um gargalo na linha de produo. O foco desse trabalho a elaborao de um dispositivo de duas castanhas compatvel com spindle

ASA B5.9 Tipo A-11 para uma das etapas de usinagem do corpo dessa vlvula que devido

sua geometria se torna de difcil fixao no trono.

Este trabalho identifica os problemas no dispositivo utilizado por uma empresa,

prope uma soluo em forma de um novo mtodo de fixao, faz uma anlise das tenses

decorrentes dos esforos aos quais o dispositivo submetido e depois uma anlise de

balanceamento.

4

Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial

fulfillment of the requirements for the degree of Engineer.

Self centering Chuck with two jaws and longitudinal locking mechanism


January/2014

Advisor: Jos Stockler Canabrava Filho

Course: Mechanical Engineering

With the growth of the oil and gas industry in Brazil sector companies are having

to upgrade themselves, improving not only their products but also their means of

production. Used in the Oil and Gas industry, ball valve API-6 model 200, 2.1/16 "was

chosen to present itself as a bottleneck in the production line. The focus of this work is

the development of a device with two spindle jaws compatible with ASA B5.9 Type A-

11 for one of the stages of machining the body of the valve due to its geometry becomes

difficult mounting the throne.

This paper identifies the problems with the device used by a company, proposes a

solution in the form of a new method of attachment makes an analysis of the tensions

resulting from the efforts to which the device is submitted and then a balancing analysis.

5

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1- VISTA EM CORTE PARCIAL DA VLVULA ESFERA 10

FIGURA 2- SEQUNCIA DE FABRICAO 11

FIGURA 3- ESQUEMA DA PRIMEIRA ETAPA DE USINAGEM 12

FIGURA 4- ESQUEMA DA SEGUNDA OPERAO DE USINAGEM 13

FIGURA 5-TERCEIRA OPERAO DE USINAGEM 14

FIGURA 6-FIXAO NA 4 ETAPA DE USINAGEM 15

FIGURA 7- OPERAO EM QUESTO 16

FIGURA 8-FERRAMENTA USADA NESTA OPERAO 16

FIGURA 9-TORNEAMENTO INTERNO 17

FIGURA 10-FERRAMENTA UTILIZADA NESTA OPERAO 17

FIGURA 11-TORNEAMENTO INTERNO COM BARRA TIPO CEGONHA 18

FIGURA 12-BARRA DE MANDRILAR TIPO CEGONHA 18

FIGURA 13-TORNEAMENTO INTERNO COM BARRA DE MANDRILAR 19

FIGURA 14- BARRA DE MANDRILAR UTILIZADA 19

FIGURA 15- DISPOSITIVO DE FIXAO ATUAL 20

FIGURA 16- DISPOSITIVO PROPOSTO 22

FIGURA 17- FLANGE ADAPTADOR 23

FIGURA 18- VISTA LATERAL DA PEA A SER USINADA 23

FIGURA 19- VISTA FRONTAL DA CASTANHA DIREITA MONTADA 24

FIGURA 20- VISTA SUPERIOR DO DISPOSITIVO 25

FIGURA 21-PINO GUIA POSICIONADO POR MOLA 25

FIGURA 22-CANAL DE LUBRIFICAO 26

FIGURA 23-SADA PARA O CAVACO 26

FIGURA 24-ESQUEMA DAS FORAS NO FUSO 30

FIGURA 25- VISTA DO FUSO DO DISPOSITIVO 30

FIGURA 26- DETALHE DO SEXTAVADO INTERNO DO FUSO 31

FIGURA 28- ORIENTAO DOS VETORES 42

FIGURA 29-PROPRIEDADES DE MASSA DO DISPOSITIVO 43

FIGURA 30- FIGURA ESQUEMTICA 44

6

LISTA DE GRGICOS GRFICO 1- FAIXA DE AVANO E PROFUNDIDADE DE CORTE INDICADAS (CATALOGO

GERAL 2013 DA MITSUBISHI CARBIDE PGINA A044) ......................................................... 28 GRFICO 2-FORA MXIMA APLICVEL EM ALAVANCA (PROJETISTA DE MQUINAS

EDIO 1988 PGINA 4-46).......................................................................................................... 32

LISTA DE TABELAS

TABELA 1-OPERAES DA PRIMEIRA ETAPA DE USINAGEM 12

TABELA 2- ETAPAS DA SEGUNDA ETAPA DE USINAGEM 13

TABELA 3-TERCEIRA ETAPA DE USINAGEM 14

TABELA 4 QUARTA ETAPA DE USINAGEM FOCO DESSE TRABALHO 15

TABELA 5-PARMETROS DE CORTE DO FACEAMENTO* 16

TABELA 6-PARMETROS DE CORTE DA OPERAO* 17 TABELA 7-PARMETROS DE CORTE DO TORNEAMENTO INTERNO COM BARRA TIPO

CEGONHA* 18 TABELA 8-PARMETROS DE CORTE DO TORNEAMENTO INTERNO COM BARRA DE

MANDRILAR 19

TABELA 9- REFERNCIA ISO E PARMETROS DE CORTE DAS FERRAMENTAS 27 TABELA 10- VELOCIDADES DE CORTE POR CLASSE DE INSERTO (CATALOGO GERAL 2013

DA MITSUBISHI CARBIDE PGINA A032) 28 TABELA 11-FATOR DE CORREO DOS COEFICIENTES DE TAYLOR DE ACORDO COM A

DUREZA DO MATERIAL USINADO (CATALOGO GERAL 2013 DA MITSUBISHI CARBIDE

PGINA A009) 28 TABELA 12- COEFICIENTES DE TAYLOR PARA CADA CLASSE DE INSERTO (CATALOGO

GERAL 2013 DA MITSUBISHI CARBIDE PGINA A009) 29 TABELA 13- PRESSES DE CORTE (CATALOGO GERAL 2013 DA MITSUBISHI CARBIDE

PGINA Q017) 29

TABELA 14- PARMETROS E FORAS DE USINAGEM 29 TABELA 15-MASSA, DISTNCIA AO CENTRO DE ROTAO DO CENTROIDE DAS

CASTANHAS E RESULTANTE DEVIDO A ROTAO 31

TABELA 16-TENSES E COEFICIENTES DE SEGURANA DA ROSCA ACME 3/4" 32

TABELA 17-TENSES E COEFICIENTES DE SEGURANA DA ROSCA M14 33 TABELA 18-PARAMTROS PARA O FATOR DE MODIFICAO DE SUPERFCIE DE MARIN

(ELEMENTOS DE MQUINAS DE SHIGLEY 8 EDIO TABELA 6-2 PGINA 306) 33 TABELA 19-FATORES DE CONFIABILIDADE (ELEMENTOS DE MQUINAS DE SHIGLEY 8

EDIO TABELA 6-5 PGINA 311) 34 TABELA 20-FATORES DE CONCENTRAO DE FADIGA KF PARA ELEMENTOS ROSCADOS

(ELEMENTOS DE MQUINAS DE SHIGLEY 8 EDIO TABELA 8-16 PGINA 455) 34

7

ndice

1. Introduo ......................................................................................................................... 9

2. Anlise do processo de usinagem da Vlvula esfera 2.1/16 .......................................... 10

2.1 Processos Empregados na Fabricao da Vlvula. ..................................................... 11

2.2 Etapas da Usinagem Empregadas na Fabricao da Vlvula ...................................... 12

2.3 Identificao dos Problemas. ....................................................................................... 20

3. Projeto do Dispositivo Dedicado para a usinagem da quarta etapa de usinagem ............ 22

3.1 Sistema de fixao do dispositivo no torno ................................................................. 22

3.2 As Castanhas do Dispositivo ....................................................................................... 23

3.3 Guias do novo dispositivo ........................................................................................... 24

3.4 Pino guia do novo dispositivo ..................................................................................... 25

3.5 Facilidade de lubrificao ........................................................................................... 26

3.6 Sada para o cavaco ..................................................................................................... 26

4. Clculos de dimensionamento ......................................................................................... 27

4.1 Esforos de corte durante a usinagem ......................................................................... 27

4.2 Esforos na parte central do fuso do dispositivo ......................................................... 30

4.3 Esforos nas roscas das extremidades do fuso ............................................................ 32

4.4 Fadiga no fuso ............................................................................................................. 33

4.4.1 Fator de acabamento superficial (Ka) ............................................................................................ 33

4.4.2 Fator de Tamanho (Kb) ................................................................................................................. 33

4.4.3 Fator de confiabilidade (Kc) .......................................................................................................... 34

4.4.4 Fator de concentrao de tenses (Ke) .......................................................................................... 34

4.5 Torque de aperto nos parafusos de fixao flange adaptadora x dispositivo .............. 34

4.6 Anlises com elementos finitos ................................................................................... 35

4.6.1 Resultados do estudo para as castanhas ......................................................................................... 36

4.6.2 Resultado do estudo para as guias ................................................................................................. 39

5. Anlise de balanceamento do novo dispositivo .............................................................. 42

5.1 Balanceamento esttico ............................................................................................... 43

5.2 Balanceamento dinmico ............................................................................................ 44

6. Consideraes finais ........................................................................................................ 46

Referncias Bibliogrficas .......................................................................................................... 47

Anexos: ........................................................................................................................................ 48

Anexo1: Desenhos de fabricao do corpo da Vlvula esfera ................................................ 48

8

Anexo2: Padres de Cones de Spindles ASA B5.9 Tipo A .................................................... 50

Anexo 3: Informaes do modelo da castanha ........................................................................ 51

Anexo 4: Informaes do modelo das guias ........................................................................... 57

Anexo 5: Clculo do balanceamento do dispositivo de fixao da vlvula esfera de 2.1/16in64

Anexo 6: Clculo dos esforos no dispositivo de fixao da vlvula esfera de 2.1/16in ........ 72

Anexo 7: Clculo das condies de contorno nas castanhas e guias do dispositivo para utilizar

o mtodo de elementos finitos. ................................................................................................ 92

Anexo 8: desenhos do dispositivo ........................................................................................... 98

9

1. Introduo

Para viabilizar a expanso da linha de produtos de uma empresa de equipamentos para

a indstria de petrleo so necessrias alteraes nos mtodos de fabricao para fabricar

mais produtos de forma mais eficiente e com maior qualidade. Atualmente a vlvula

esfera API-6 modelo 200 de 2.1/16 e de 3,1/16 se apresentam como gargalos na linha

de produo. Considerando que so produzidas aproximadamente 40 unidades de cada

uma por semana, o custo de produo de um dispositivo dedicado para uma das operaes

se justifica.

O objetivo desse trabalho , primeiramente, diagnosticar os problemas no dispositivo

de fixao utilizado atualmente. E, em seguida, apresentar um dispositivo de fixao,

compatvel com o torno Doosan PUMA 300, que permita uma rpida fixao do corpo

da vlvula esfera de 2,1/16 possibilitando assim reduzir o tempo de setup da operao

de usinagem do alojamento dos rolamentos da haste da vlvula, garantindo a preciso e

repetitividade necessrias ao projeto. Alm disso, preocupou-se em garantir um custo de

fabricao do dispositivo adequado.

Os prximos captulos dessa monografia so descritos a seguir. No Captulo 2 se

encontra uma anlise do processo atual apontando as falhas e possveis pontos onde

podem ser feitas alteraes que levariam a um ganho de produtividade e/ou repetitividade

do processo. O Captulo 3 contm a concepo do novo dispositivo que permitir maior

produtividade e repetitividade ao processo.

O Captulo 4 contm os clculos de dimensionamento dos elementos do dispositivo.

No Captulo 5 encontra-se uma anlise dinmica do dispositivo e uma discusso sobre as

possveis causas de desbalanceamento e sua relevncia para o processo. Este captulo

tambm contm uma soluo para efetuar o balanceamento. Finalmente encontram-se as

principais concluses deste trabalho no Captulo 6.

10

2. Anlise do processo de usinagem da Vlvula esfera 2.1/16

Utilizada na indstria de leo e Gs, a vlvula esfera API-6 modelo 200 de 2.1/16 foi escolhida por se apresentar como um gargalo na linha de produo. A Figura 1

apresenta um desenho em corte da vlvula esfera API-6 modelo 200 de 2.1/16. O dispositivo para a sua fixao utilizado no processo de torneamento do alojamento dos

rolamentos no garante repetitividade com a qualidade especificada e possui um tempo

de setup muito elevado. Os desenhos de fabricao encontram-se no Anexo 1 e um

esquema da Vlvula em corte parcial pode ser visto na Figura 1.

Figura 1- Vista em corte parcial da Vlvula esfera

Desenvolvida para aplicaes em rvores de Natal, cabeas de poo e Manifolds para

servios com gua, leo e gs, a vlvula esfera API-6 modelo 200 de 2.1/16 apresenta

como principais caractersticas (Oilequip, 2013):

Passagem Plena (no apresenta restries passagem do fluxo evitando

turbulncia ou perdas de carga);

Vedao Bi-direcional (a vedao entre sede e esfera funciona em ambos os

sentidos de passagem de fluxo);

Haste/Esfera tipo Trunnion (a haste e a esfera so formadas por uma s pea,

proporcionando robustez e durabilidade no acionamento da vlvula);

Contra-Vedao Metal-Metal (a haste possui uma rea de vedao endurecida que

propicia uma contra-vedao no alojamento do bonnet, possibilitando a

substituio do engaxetamento da haste de forma segura, mesmo com a vlvula

sob presso de trabalho);

11

Dispositivo de posicionamento e indicao de posio com 90 de giro, que

garantem um preciso fechamento e abertura da vlvula;

Baixo Custo de Manuteno (devido ao seu projeto compacto com mancais auto-

lubrificantes, dispensa lubrificao e manuteno, eliminando as interrupes de

trabalho e defeitos por falta de lubrificao);

Baixo Torque de Acionamento (possui um sistema de rolamentos auto-

lubrificantes que reduzem a frico entre a haste e os mancais. Utiliza sedes

totalmente confeccionadas de material termoplstico de alta resistncia,

resultando num baixo torque para o acionamento da vlvula.)

2.1 Processos Empregados na Fabricao da Vlvula.

A Fabricao da vlvula envolve processos de forjamento e de usinagem, que

o objeto deste projeto.

Forjamento

Na empresa Forja Taurus, localizada no Rio Grande do Sul, um tarugo de ao

forjado quente para dar forma ao corpo da vlvula e depois submetido

tratamento trmico para alvio de tenses.

Usinagem

Uma vez que o lote de forjados foi aprovado pelo controle de qualidade, eles so

encaminhados a usinagem. O processo de usinagem do corpo da vlvula esfera

efetuado na prpria empresa e se divide em 5 etapas:

Figura 2- Sequncia de fabricao

Para se acelerar o processo os tornos responsveis pela 1 e 2 etapas de usinagem

ficam lado a lado. Ento, assim que um pallet fica cheio de peas vindas da 1 etapa, a

segunda pode comear imediatamente. Etapas da usinagem empregadas na fabricao da

vlvula so detalhadas na Seo 2.2, a seguir.

12

2.2 Etapas da Usinagem Empregadas na Fabricao da Vlvula

1 Etapa:

A Tabela 1 apresenta as fases de primeira etapa de usinagem e a Figura 3 um

desenho do bruto forjado indicando as superfcies a serem usinadas nesta etapa.

Tabela 1-Operaes da primeira etapa de usinagem

Operaes

1 Fixar o forjado na castanha do torno

2 Com auxlio de um relgio comparador garantir o tombamento da pea em relao ao eixo

do torno

3 Facear o topo da pea para garantir a posio Z0

4 Tornear o exterior da pea

5 Tornear o interior da pea

6 Facear o topo da pea at a medida do desenho

Figura 3- Esquema da primeira etapa de usinagem

13

2 Etapa:

A Tabela 2 apresenta as fases da primeira operao da usinagem e a Figura 4 um

desenho do bruto forjado indicando as superfcies a ser usinadas nesta etapa.

Tabela 2- Etapas da segunda etapa de usinagem

Operaes

1 Fixar a pea na castanha do torno

2 Com auxlio de um relgio comparador garantir o tombamento da pea em relao ao eixo

do torno (penas primeira do lote)

3 Facear o topo da pea para garantir a posio Z0

4 Tornear o interior da pea

5 Tornear o perfil na face da pea

6 Facear o topo da pea at a medida do desenho

7 Tornear os canais de o-ring

Figura 4- Esquema da segunda operao de usinagem

14

3 Etapa:

Concludas as etapas anteriores as peas pr-usinadas so levadas a um centro de

usinagem aonde so fixadas com ajuda de um gabarito e metade do lote tem a furao dos

seus flanges executada e a outra metade tem furos roscados abertos em posies casadas

com os furos da outra metade do lote. Permitindo assim a unio das metades com

parafusos, sem a necessidade de porcas.

A Tabela 3 apresenta as fases da terceira etapa da usinagem e a Figura 5 um

desenho indicando as superfcies a serem usinadas nesta etapa.

Tabela 3-Terceira etapa de usinagem

Operaes

1 Fixar a pea no gabarito do centro de usinagem

2 Fazer os furos de acordo com o desenho

3 Se assim indicado pelo desenho abrir roscas

Figura 5-Terceira operao de usinagem

15

4 Etapa:

O foco desse projeto nesta etapa. Uma vez que os flanges foram devidamente

furados e roscados, as duas metades do corpo da vlvula so presas uma a outra atravs

de quatro parafusos, passando um bloco padro sobre uma superfcie previamente usinada

para garantir o alinhamento das duas peas. Uma vez que o conjunto foi montado (Figura

6), ele preso um dispositivo fabricado internamente, especialmente desenvolvido para

esta operao, de modo a permitir a usinagem de todo o alojamento dos rolamentos em

uma nica operao.

A Tabela 4 apresenta as fases da quarta etapa da usinagem. As operaes de

usinagem e os parmetros utilizados hoje, em sequncia, so detalhados a seguir.

Tabela 4 Quarta etapa de usinagem Foco desse trabalho

Operaes

1 Faceamento e chanfro

2 Torneamento interno

3 Torneamento interno com barra de mandrilar tipo cegonha (Desbaste)

4 Torneamento interno com barra de mandrilar (acabamento)

Figura 6-Fixao na 4 etapa de usinagem

16

1) Faceamento e chanfro:

Na Figura 7 pode-se ver em vermelho as reas a serem usinadas nesta operao

que utiliza a ferramenta da Figura 8 e com os parmetros de corte da Tabela 5.

Figura 7- Operao em questo

Figura 8-ferramenta usada nesta operao

Tabela 5-Parmetros de corte do faceamento*

Avano/rot. Velocidade de corte Profundidade de corte

0.2mm/rev. 160 m/min 1,00mm

17

2) Torneamento interno:

Na Figura 9 pode-se ver em vermelho as reas a serem usinadas nesta operao que

utiliza a ferramenta da Figura 10 e com os parmetros de corte da Tabela 6.

Figura 9-Torneamento interno

Figura 10-Ferramenta utilizada nesta operao

Tabela 6-Parmetros de corte da operao*

Avano/rot Velocidade de corte Profundidade de corte


18

3) Torneamento interno com barra de mandrilar tipo cegonha

(Desbaste):

Na Figura 11 pode-se ver em vermelho as reas a serem usinadas nesta operao

que utiliza a ferramenta da Figura 12 e com os parmetros de corte da Tabela 7.

Figura 11-Torneamento interno com barra tipo cegonha

Figura 12-Barra de mandrilar tipo cegonha

Tabela 7-Parmetros de corte do torneamento interno com barra tipo cegonha*


0.12mm/rev. 160 m/min 1,00mm

19

4) Torneamento interno com barra de mandrilar (acabamento):

Na Figura 13 pode-se ver em vermelho as reas a serem usinadas nesta operao que

utiliza a ferramenta da Figura 14 e com os parmetros de corte da Tabela 8.

Figura 13-Torneamento interno com barra de mandrilar

Figura 14- Barra de mandrilar utilizada

Tabela 8-Parmetros de corte do torneamento interno com barra de mandrilar1



1 Todos os parmetros de corte citados so referentes ao desbaste tendo em vista que so os valores crticos de cada operao em relao a esforos.

20

2.3 Identificao dos Problemas.

O responsvel pelo desenho do forjado no considerou que aps desbastar a face

do flange os dimetros usinados nessa operao no mais teriam arcos de 180 cada.

Ento, para reduzir o corte intermitente na operao seguinte e evitar quebras excessivas

de insertos, o engenheiro responsvel pela produo fabricou a ferramenta (Figura 10) e

adicionou a segunda operao a esta etapa da usinagem do corpo da vlvula.

Um dos principais desafios dessa etapa a geometria da pea que torna sua fixao

no torno uma tarefa complexa, demandando um dispositivo prprio. Este dispositivo por

sua vez deve garantir a preciso e rugosidade de projeto, ser de fcil operao por parte

do tcnico do torno de modo a garantir um baixo tempo de porta a porta (setup +

usinagem), baixa manuteno para evitar paradas excessivas na linha de produo, alm

de uma boa repetitividade.

O dispositivo de fixao utilizado atualmente (Figura 15) apresenta problemas de

vibrao e de difcil utilizao por parte do tcnico do torno.

Figura 15- Dispositivo de fixao atual

Atravs de uma rpida anlise constata-se algumas falhas de projeto neste dispositivo:

i. No existe uma trava no eixo longitudinal da pea a ser torneada de forma que

toda vez que o operador for reiniciar o ciclo ele precisa utilizar um relgio

comparador para garantir o alinhamento correto da pea. O que pode levar mais

de 2min (mais de 10% do tempo total desta etapa).

21

ii. O dispositivo fixado ao eixo do torno atravs do sistema de castanhas do mesmo

e no no cone do spindle o que deixa o dispositivo muito mais suscetvel a

vibraes. Devido falta de robustez e da distncia dos mancais do spindle que

este tipo de acoplamento implica.

22

3. Projeto do Dispositivo Dedicado para a usinagem da quarta etapa de usinagem

A soluo proposta essencialmente uma placa autocentrante que seja acoplada

diretamente ao cone da rvore do torno e que possua uma trava no eixo longitudinal

que impea a rotao do corpo da vlvula. O dispositivo passar a ser referido como:

P.A.C.T.E.L (Placa Autocentrante Com Trava no Eixo Longitudinal). A Figura 16

mostra a vista isomtrica do P.A.C.T.E.L.

Figura 16- Dispositivo proposto

3.1 Sistema de fixao do dispositivo no torno

Como essa operao feita em um torno que dedicado exclusivamente a execuo

dessa operao e da mesma operao na verso de 3.1/16 da mesma vlvula mais

vantajoso substituir a pina do torno por um flange adaptador (Figura 17) acoplado

diretamente ao cone da rvore do torno. De modo a permitir a melhor fixao do

dispositivo em questo e futuramente o uso de uma verso do dispositivo para a vlvula

esfera de 3.1/16.

O torno em questo um Puma 300 da Doosan. Consultando seu manual (Comtex

Machinery,2014) observa-se que seu cone (nose spindle) segue a norma: ASA B5.9 Tipo

A-11.

23

Figura 17- Flange adaptador

Uma vez que o flange adaptador devidamente fixado ao torno, o P.A.C.T.E.L preso

no flange atravs de quatro parafusos M18 tipo caphead e tem sua centralizao garantida

por um cone no mesmo padro ASA B5.9 Tipo A-11 com a diferena da posio dos

parafusos.

3.2 As Castanhas do Dispositivo

Como nessa operao a seo circular do corpo da vlvula, indicada na Figura 18, j

foi usinada acabada e possui uma boa circularidade e tombamento, essas sees foram

usadas para apoiar a vlvula dos dois lados.

Figura 18- Vista lateral da pea a ser usinada

Para evitar hiperdefinir a fixao do corpo da vlvula, o que poderia reduzir a preciso

do P.A.C.T.E.L, cada castanha composta de um bloco V e um parafuso no topo com

ponta esfrica recartilhada (DIN 916), ilustrado na Figura 19. Para garantir a

24

centralizao, as castanhas so movidas por um fuso com roscas ACME opostas, de modo

que ao girar o fuso, as castanhas convirjam para o mesmo ponto.

O Fuso tambm pode ser deslocado com ajuda do sistema de porca e contra porca nas

extremidades do P.A.C.T.E.L. O que permite centralizar o ponto de convergncia das

castanhas.

Figura 19- Vista frontal da castanha direita montada

A folga entre as guias e a fmea na castanha ajustada durante a montagem, de

modo minimizar o mximo possvel as folgas e garantir uma rigidez elevada ao

sistema.

Para facilitar a manuteno, a maioria das superfcies de contato, presentes nas

castanhas so intercambiveis e podem ser facilmente substitudas individualmente.

E os dois batentes inferiores do bloco V sero nitretados para adquirir uma dureza

superficial elevada.

3.3 Guias do novo dispositivo

As guias laterais do P.A.C.T.E.L possuem um ngulo de 4 graus, entre suas faces

alinhadas ao deslocamento das castanhas. Dessa forma, atravs de dois parafusos

posicionados nas extremidades opostas das guias, possvel retirar eventuais folgas

no dispositivo, garantindo uma rigidez e preciso elevados. Na vista superior exibida

na Figura 20 fica bastante evidente o ngulo das guias.

25

Figura 20- Vista superior do dispositivo

3.4 Pino guia do novo dispositivo

Um dos maiores problemas do dispositivo utilizado atualmente a falta de uma trava

que impea a rotao no eixo Z. Portanto, no P.A.C.T.E.L foi adicionado um pino guia

(Figura 21) para garantir essa posio e dispensar o uso de relgios comparadores no

setup da vlvula, ganhando um tempo precioso. Para evitar hiperdefinir o dispositivo, a

ponta do pino cnica e ele tem sua posio em Z mantida por uma mola, de modo que

ele no ir interferir em outros posicionamentos. Um detalhe importante a respeito deste

elemento que para reduzir o deslocamento do centro de gravidade da placa (por conta

dele), o pino guia vazado no meio. Dessa forma, garante-se um peso baixo e um

deslocamento mnimo do centro de gravidade do dispositivo.

Figura 21-Pino guia posicionado por mola

26

3.5 Facilidade de lubrificao

Para facilitar a manuteno do P.A.C.T.E.L, ele conta com canais de lubrificao

em cada uma das guias alimentados atravs de uma graxeira. Permitindo assim manter o

dispositivo em constante condio de uso, sem necessidade de desmonta-lo para

lubrificao. A Figura 22 mostra como esses canais garantem a lubrificao das

superfcies de contado das castanhas.

Figura 22-Canal de lubrificao

Seguindo est mesma linha de raciocnio, as buchas dos mancais so feitas de

bronze que por ser auto lubrificante elimina a necessidade de lubrificao constante.

3.6 Sada para o cavaco

Para evitar o acumulo de cavaco dentro da pea usinada, o P.A.C.T.E.L possui um

espao entre a base do corpo da vlvula e o dispositivo, assim como uma abertura em

cada castanha, indicados na Figura 23, para que a rotao ajude a eliminar o cavaco de

dentro da pea.

Figura 23-Sada para o cavaco

27

4. Clculos de dimensionamento

Este captulo apresenta os resultados dos clculos de dimensionamento e os

interpreta. Para maiores detalhes a respeito dos clculos consulte a memria de clculo

nos anexos 5 a 7.

4.1 Esforos de corte durante a usinagem

Para garantir uma melhor eficincia do processo se utiliza os parmetros de corte

recomendados pelo fabricante das ferramentas (com exceo da segunda operao e da

operao de faceamento, tendo em vista que ambas usam ferramentas fabricadas na

prpria Oilequip) e no os utilizado atualmente.

Comea-se encontrando no catlogo (Mitsubishi, 2013) os suportes e seus

respectivos insertos para torneamento interno (Tabela 9). Depois identifica-se no catlogo

os parmetros recomendados para garantir a rugosidade superficial e vida do inserto

desejadas (Grfico 1, tabelas 10 e 11).

Como os dados de velocidade de corte do catlogo so para uma vida de 15min e

o tempo de vida desejado de 30 min, uma vez determina a velocidade de corte indicada

pelo fabricante, aplica-se a frmula de Taylor para calcular a velocidade desejada.

Tabela 9- Referncia ISO e parmetros de corte das ferramentas

Ferramenta Referncia da ferramenta Referncia ISO do inserto

Barra de mandrilar S32S-CKUNL-16

KNUX-160405-R11

UE6110

Barra de mandrilar

tipo cegonha A32SPDZNL15

DNMG-160404-MA

MC6025

Como o inserto KNUX est fora de linha e se tornou um item especial, seus

parmetros de corte no constam no catlogo do fabricante. Portanto irei adotar os

parmetros de corte do inserto TNMG160404-R-K que tem uma geometria de quebra

cavaco semelhante ao inserto utilizado.

28

Grfico 1- Faixa de avano e profundidade de corte indicadas (Catalogo Geral 2013 da Mitsubishi Carbide

pgina A044)

A rugosidade superficial (Ra) geral especificada no desenho de 32 m e para a

4 operao (acabamento) de 1.6m. Obtendo a medida do raio de ponta de cada inserto,

pela nomenclatura ISO podemos determinar os valores de avano com a frmula de

rugosidade superficial terica e depois com ajuda dos grficos acima determinar as

profundidades de corte para cada uma das operaes.

Uma vez determinadas profundidades de corte e o avano para cada operao,

determina-se suas respectivas velocidades de corte. Como as velocidades sugeridas pelo

fabricante para cada classe so para uma vida mdia de 15min, aplica-se os coeficientes

de Taylor fornecidos pelo fabricante para poder obter uma vida de 30min. Alm disso,

como a dureza superficial da pea usinada no a mesma da usada para determinar a vida

do inserto, deve-se usar um segundo fator de correo tambm fornecido pelo fabricante.

Tabela 10- Velocidades de Corte por classe de inserto (Catalogo Geral 2013 da Mitsubishi Carbide pgina

A032)

Tabela 11-Fator de correo dos coeficientes de Taylor de acordo com a dureza do material usinado (Catalogo

Geral 2013 da Mitsubishi Carbide pgina A009)

29

Tabela 12- Coeficientes de Taylor para cada classe de inserto (Catalogo Geral 2013 da Mitsubishi Carbide

pgina A009)

Uma vez que obtidas as profundidades de corte e avanos de cada operao pode-

se calcular as foras de corte, utilizando a tabela de presses de corte (Tabela 13)

fornecida no catlogo da Mitsubishi.

Tabela 13- Presses de corte (Catalogo Geral 2013 da Mitsubishi Carbide pgina Q017)

Por ltimo utilizando a relao de proporcionalidade da fora de corte com

a fora de avano, indicada na pgina 61 do livro Tecnologia da Usinagem dos

Materiais (Diniz et al., 2008), pode-se calcular a ltima, obtendo dessa forma os

valores da Tabela 14 para cada uma das operaes.

Tabela 14- Parmetros e foras de usinagem

1 operao 2 operao 3 operao 4 operao

Avano 0,20mm/rot. 0,15mm/rot. 0,32mm/rot. 0,07mm/rot.

Profundidade de corte 1,00mm 0,75mm 2,00mm 1,00mm

Velocidade de corte 160,0m/min 90,0m/min 112,8m/min 139,4m/min

Fora de corte 232,00N 97,88N 1856,00N 29,70N

Fora de avano 51,04N 21,53N 408,32N 6,53N

30

4.2 Esforos na parte central do fuso do dispositivo

Para simplificar as contas assume-se que como as folgas nas guias so muito

menores do que as no fuso e as guias devem ser razoavelmente rgidas, os esforos

no fuso dos dispositivo so uniaxiais (Figura 24).

Figura 24-Esquema das foras no fuso

Figura 25- vista do fuso do dispositivo

Com o peso e a posio do centro de massa, em relao ao centro de rotao, de

cada castanha posso definir os esforos no fuso gerados pela rotao do dispositivo.

31

Como as castanhas no so iguais elas possuem massas diferentes, de forma que

a resultante no anulada por simetria e aponta na direo da castanha com o pino guia.

Tabela 15-massa, distncia ao centro de rotao do centroide das castanhas e resultante devido a rotao

Castanha sem

pino guia

Castanha com

pino guia

Massa 11,46kg 11,52kg

Distncia do centro de massa em

relao ao centro de rotao 103,97mm 103,67mm

Fora resultante devido a rotao 7,322kN 7,339kN

Analisando as tabelas 13 e 14 posso constatar que o pico de esforo no fuso do

dispositivo ocorre durante a terceira operao e o valor da fora mxima :

max_ = 9,195.

Agora que os esforos sobre o fuso so conhecidos, pode-se compar-los com as

limitaes fsicas do mesmo, comeando pelo torque mximo que um operador consegue

aplicar ao fuso e a fora resultante desse torque nas roscas das castanhas. A Figura 26

mostra que o sextavado interno do fuso tem 8 mm.

Figura 26- detalhe do sextavado interno do fuso

O tamanho padro do maior brao de uma chave Allen longa de 8mm de 200mm

e a fora mxima aplicvel, a uma alavanca na posio na qual a chave vai estar, de 40kgf,

32

como pode ser constatado analisando o Grfico 2 retirado do livro Projetista de

Mquinas (Provenza, 1988). O que implica em um torque mximo igual a: . =

78,45 , que implica em uma fora nas castanhas de = 8,45

correspondendo a 92% da fora mxima aplicada durante a usinagem.

Grfico 2-Fora mxima aplicvel em alavanca (Projetista de Mquinas edio 1988 pgina 4-46)

Essa diferena de foras implica na existncia de um ponto onde no h esforos

na rosca, que somado a pequenas vibraes pode levar ao deslocamento indesejado das

castanhas. O que no aceitvel. necessrio, portanto, adicionar uma extenso chave

Allen para garantir o torque desejado.

Com um comprimento chave+ barra de 400mm a fora resultante nas castanhas

passou a ser: 2 = 16,898 que 2 vezes maior do que as foras devido a rotao

e usinagem.

As tenses nos filetes das roscas Acme do fuso e seus respectivos coeficientes

de segurana foram calculados com base nas frmulas das notas de aula do professor

Flvio (MARCO FILHO, 2012) considerando que o fuso feito em AISI 4140 temperado

e revenido, esto descritos na Tabela 16.

Tabela 16-Tenses e coeficientes de segurana da rosca Acme 3/4"

Tenso Coeficiente de segurana

Tenso de cisalhamento no filete

da rosca 10,98MPa Cs >1,5

Tenso de compresso no filete


Tenso de trao ncleo no fuso 109,77MPa Cs >1,5

Tenso de cisalhamento mximo

no ncleo da rosca central

durante o aperto do fuso

291,22MPa Cs >1,5

4.3 Esforos nas roscas das extremidades do fuso

As roscas M14 da extremidade do fuso so responsveis pelo ajuste da centralizao

das castanhas e por manter o conjunto centralizado durante a usinagem. Portanto, so elas

que resistem aos esforos assimtricos no fuso.

As tenses nas roscas M14 so apresentadas na Tabela 17.

33

Tabela 17-Tenses e coeficientes de segurana da rosca M14

Tenso Coeficiente de segurana

Tenso de cisalhamento no

filete da rosca 0,74MPa Cs >1,5

Tenso de compresso no filete


Tenso de trao ncleo no

fuso 17,89MPa Cs >1,5

Tenso de cisalhamento

mximo durante o aperto no

ncleo da rosca menor do fuso

519,18MPa Cs >1,5

4.4 Fadiga no fuso

Devido ao carter senoidal do carregamento no fuso devido as foras de corte durante

a usinagem, calculou-se o coeficiente de segurana fadiga para as roscas Acme , que

esto sujeitas a maiores tenses.

O coeficiente de segurana a fadiga nas roscas Acme , usando o critrio de

Goodman como indicado no captulo 4 do livro Elementos de Mquinas Shigley

(BUDYNAS et al., 2011) foi: = 77,267. Ou seja, vida infinita.

Os fatores para determinar o limite de resistncia fadiga utilizados so apresentados

nas sees 4.4.1 a 4.4.4.

4.4.1 Fator de acabamento superficial (Ka)

O fator de acabamento superficial pode ser calculado com base na Tabela 18.

Tabela 18-Paramtros para o fator de modificao de superfcie de Marin (Elementos de Mquinas de Shigley

8 Edio tabela 6-2 pgina 306)

Acabamento superficial Fator a Sut MPa Expoente b

Retificado 1,58 -0,085

Usinado ou laminado a frio 4,51 -0,265

Laminado a quente 57,7 -0,718

Forjado 272 -0,995

Como o a seo central do fuso do P.A.C.T.E.L. ter de ser retificada para

garantir preciso, = 1,58 0,085 = 0,837

4.4.2 Fator de Tamanho (Kb)

Como o carregamento pode ser considerado axial: = 1

34

4.4.3 Fator de confiabilidade (Kc)

O fator de confiabilidade pode ser calculado com base na Tabela 19.

Tabela 19-Fatores de confiabilidade (Elementos de Mquinas de Shigley 8 Edio tabela 6-5 pgina 311)

Confiabilidade % Fator de confiabilidade Kc

50 1

90 0,897

95 0,868

99 0,814

99,9 0,753

99,99 0,702

A confiabilidade desejada de 99%, pois uma falha no fuso pode provocar danos

catastrficos ao dispositivo. Logo: = 0,814

4.4.4 Fator de concentrao de tenses (Ke)

O fator de concentrao de tenso pode ser calculado com base na Tabela 20.

Tabela 20-Fatores de concentrao de fadiga Kf para elementos roscados (Elementos de Mquinas de Shigley

8 Edio tabela 8-16 pgina 455)

Grau SAE Grau

mtrico

Roscas

Laminadas

Roscas

cortadas Filete

0 a 2 3,6 a 5,8 2,2 2,8 2,1

4 a 8

6,6 a

10,9 3

3,8 2,3

Tendo que o grau SAE de uma rosca com dimetro de 2 e que a rosca do

fuso ser cortada, =1

2,8= 0,357.

4.5 Torque de aperto nos parafusos de fixao flange adaptadora x

dispositivo

Para determinar o aperto nos parafusos que unem a flange adaptadora ao

dispositivo em si, primeiro preciso determinar qual a acelerao angular mxima a

qual o dispositivo pode ser submetido.

Como o torque mximo do spindle do torno segundo o fabricante =

884 , e o momento de inrcia em relao ao eixo de rotao =

2832382,58 pode-se deduzir a velocidade angular ideal mxima por:

35

=

= 423,157/

Agora que velocidade angular mxima a qual o dispositivo pode ser submetido

conhecida, basta multiplicar essa velocidade angular pelo momento de inrcia do

dispositivo sem a flange adaptadora.

=

Com o torque necessrio entre as duas flanges, e considerando que o contato

ocorre primeiro no cone centralizador no centro da flange, pode-se usar a frmula 16-

28 do livro Elementos de Mquinas de Shigley (BUDYNAS et al., 2011), e estimar

a fora normal necessria para garantir o atrito que ir gerar o torque necessrio para

manter o dispositivo fixo na flange.

(Equao 16-28 do shigley)Fflange

3Tflange Dflange2

dflange2

metalxmetal Dflange3

dflange3

Logo a fora em cada parafuso ser:

4= 10,418

E portanto o torque em cada um dos parafusos que unem a flange adaptadora ao

dispositivo ser: . = 862

4.6 Anlises com elementos finitos

Devido complexidade geomtrica das castanhas e complexidade das condies

de contorno nas guias, foi utilizada a extenso de elementos finitos do SolidWorks

para determinar as tenses nessas duas peas.

Apesar das guias e das castanhas no serem iguais analisada apenas uma de cada,

pois existe uma semelhana geomtrica e de carregamentos muito grande em ambos

os casos, no havendo motivo para se analisar todos os casos.

No caso da simulao que envolve a castanha, criou-se um nico slido com a

geometria da castanha montada porque o programa no lida bem com

descontinuidades. Portanto, utilizar uma montagem implicaria em problemas de

convergncia para a simulao. Por isso adotou-se essa soluo, minimizando as

chances de possveis discrepncias.

36

4.6.1 Resultados do estudo para as castanhas

Nome Tipo Mn Mx.

Tenso1 VON: tenso de von Mises 0,02MPa

N: 762

0,74MPa

N: 22396

castanha_A2_elementos_finitos-Estudo catanha-Tenso-Tenso1

37

Nome Tipo Mn Mx.

Deslocamento1 URES: Deslocamento

resultante

1.70e-005 mm

N: 329

0.02019 mm

N: 20822

castanha_A2_elementos_finitos-Estudo catanha-Deslocamento-Deslocamento1

38

Analisando os diagramas fica claro que as maiores tenses se concentram na rosca

do topo da castanha e de forma mais sutil nas quinas das guias. Porm, tanto as tenses

quanto os deslocamentos resultantes mximos, so totalmente aceitveis e no vo

comprometer a funcionalidade nem a integridade do dispositivo.

No caso das roscas em si, os valores das tenses no so confiveis, pois as mesmas

foram aproximadas para um furo cilndrico. Logo, os resultados dentro dos cilindros

(roscas) no so vlidos para anlise.

J no caso das quinas, deve se lembrar que na verdade duas delas so pontos de

unio entre dois elementos, o que torna os resultados questionveis de certa forma. Mas,

o fato de mesmo nas quinas que so concentradores de tenso, as tenses serem

praticamente desprezveis indica que a probabilidade de haver falhas nesse ponto baixa.

As condies de contorno utilizadas nessa simulao esto no Anexo 3

39

4.6.2 Resultado do estudo para as guias

Nome Tipo Mn Mx.

Tenso1 VON: tenso de von

Mises

0,15 N/m^2

N: 10948

378,24MPa

N: 16689

guia A_elementos finitos-Estudo na guia-Tenso-Tenso1

40

Nome Tipo Mn Mx.

Deslocamento1 URES: Deslocamento

resultante

0 mm

N: 417

0,02088 mm

N: 14260

guia A_elementos finitos-Estudo na guia-Deslocamento-Deslocamento1

41

No caso das guias as maiores tenses, como j era esperado, foram no ponto de

fixao por parafusos. Mas como se mantiveram abaixo do limite de escoamento do

material, durante o pior cenrio, no representam um problema. Os canais para de

lubrificao tambm enfraqueceram a estrutura, porm as vantagens deles

compensao esse enfraquecimento.

Os deslocamentos nas guias foram razoavelmente expressivos. Porm, como

durante o carregamento no haver deslizamento da castanha na guia e as

deformaes so dentro do regime elstico, elas no comprometem o

funcionamento do dispositivo.

As condies de contorno utilizadas nessa simulao esto no Anexo 4

42

5. Anlise de balanceamento do novo dispositivo

Em dispositivos rotatrios a capacidade de se executar o seu balanceamento de

suma importncia, pois quando se atinge rotaes elevadas, um pequeno desbalanceio

pode levar a vibraes de amplitude elevada, seja ele resultante de uma impreciso

no processo de fabricao ou devido uma assimetria do dispositivo. O que no caso

do dispositivo torn-lo-ia incapaz de garantir a tolerncia e a repetitividade

necessrias.

Infelizmente existe uma assimetria no dispositivo devido ao pino guia. Por causa

disso, seu centro de massa est deslocado do centroide de rotao e portanto, existem

componentes assimtricas no balano das foras internas. Portanto, analisar a

grandeza desses esforos e seus efeitos no processo de usinagem imprescindvel,

assim como permitir um balanceamento do dispositivo depois de instalado.

Atravs do software de desenho computacional, SolidWorks identificou-se a

posio do centro de massa e a matriz de inrcia do dispositivo. Cujos vetores seguem

a orientao indicada na figura 28, e tem seu 0 no ponto central da base do dispositivo.

Figura 27- orientao dos vetores

43

Figura 28-Propriedades de massa do dispositivo

Como indicado no figura acima na configurao fechada o centro de massa esta

deslocado do eixo de rotao de -0.02mm em Z e -0.01mm em X.

De posse da dimenso do desbalanceio pode-se dar incio anlise de seus efeitos

no dispositivo. A anlise feita em duas etapas, apresentada nas sees 5.1 e 5.2.

5.1 Balanceamento esttico

Nesta etapa calculado o que ocorreria ao fixar o dispositivo no spindle do

torno, ou seja, quais os efeitos do desbalanceio em uma situao esttica. Como

ilustrada na Figura 30.

44

Figura 29- Figura esquemtica

O momento resultante nesta situao foi = 0,033 , o que pode

ser desprezado, considerando que os atritos no spindle do torno so maiores do que isso.

Ao ser fixado no torno o dispositivo permanecera esttico no importa a

orientao angular.

5.2 Balanceamento dinmico

Apesar do efeito do desbalanceio ser desprezvel em uma anlise esttica, o

verdadeiro efeito do desbalanceio s ser percebido uma vez atingidas elevadas rotaes

e por isso que uma anlise dinmica imprescindvel.

Utilizando a matriz de inrcia, obtida com o programa SolidWorks e os conceitos do

livro Dinmica Aplicada (TENENBAUM, 2006), os vetores resultantes durante a

rotao do dispositivo podem ser facilmente calculados. Para esses clculos so utilizados

como parmetro a maior rotao atingida durante o processo que a rotao arredondada

para cima que 1100RPM.

O vetor fora resultante encontrado foi: = [4.060

2.03]

O vetor momento resultante foi: = [5.568

09.072

]

Como o maior responsvel por induzir vibraes em dispositivos rotatrios

o momento resultante do desbalanceio. Foi calculado o mdulo e a posio de uma

45

massa de balanceio ser acoplada ao P.A.C.T.E.L de forma a anular os momentos

resultantes do desbalanceio.

Para simplificar os clculos a massa de balanceio foi considerada como

pontual.

O vetor posio da massa de balanceamento e seu mdulo foram respectivamente:

= [170,409

72104,693

] e = 0,056.

O vetor momento resultante passou a ser: = [5.18 103

00

] .

Esses resultados usam como parmetro a situao ideal que o desenho do

projeto. No dispositivo real havero desbalanceios decorrentes de variaes geomtricas,

aceitveis para o projeto, que deveram ser compensados. Por isso o dispositivo conta com

vrios furos roscados no seu entorno para que possam ser anexadas massas de balanceio.

Essas tiveram sua posio e magnitude definidas com ajuda de testes inlocu durante a

primeira instalao do dispositivo.

46

6. Consideraes finais

Aps o clculo das tenses nos pontos crticos do P.A.C.T.E.L, anlise dos

diagramas obtidos atravs da anlise por elementos finitos e clculo do seu

desbalanceio, pode-se ficar confiante de ele funcionar melhor do que o dispositivo

antigo, melhorando a produtividade e a repetitividade do processo.

Mesmo com a necessidade de se fazer um balanceamento durante a primeira

instalao do dispositivo, o tempo e dinheiro gastos nesse teste so compensados pela

diferena de tempo de setup em relao ao dispositivo antigo, se considerado que so

fabricadas aproximadamente 40 unidades semanais dessa vlvula e dependendo do

operador pode-se levar mais de 2min ajustando a pea no dispositivo. Alm eliminar

a possibilidade de um erro de fixao condenar as duas peas do corpo da vlvula.

A presena de pontos de ajuste estratgicos e a possibilidade de fcil substituio

de todas as superfcies crticas, como as guias e os batentes dos blocos V, no s reduz

o custo de fabricao do P.A.C.T.E.L, por aumentar as tolerncias de fabricao de

peas chave, com tambm permite um custo de manuteno aceitvel a longo prazo.

Tendo em vista que o comprometimento de um batente no implica na troca de uma

castanha inteira por exemplo. O fato do P.A.C.T.E.L. ser anexado diretamente ao

spindle do torno.

47

Referncias Bibliogrficas

BUDYNAS, Richard G.; NISBETT, J. KEITH - Elementos de Mquinas Shigley, 8a ed., Editora

AMGH Editora LTDA 2011.

DINIZ, Anselmo; COPPINI, Nivaldo e MARCONDES, Francisco - Tecnologia da Usinagem dos

Materiais, 6a ed., Editora Artliber, 2008.

FERRARESI, Dino - Fundamentos da Usinagem dos Metais, 5a ed., Editora Edgard Blcher

LTDA, 1970.

GRANT, Hiram E. Dispositivos em Usinagem, Livraria Cincia e Tecnologia, 1982.

MARCO FILHO, Flavio - Notas de aula de Elementos de mquinas 1, (UFRJ), 2012/2.

PROVENZA, Francesco - Projetista de Mquinas, Escola PRO-TEC, 1988.

TENENBAUM, Roberto A. Dinmica Aplicada, 3a ed., Editora Manole, 2006.

WILLIAM D. CALLISTER, Jr., Cincia e Engenharia dos Materiais Uma Introduo, 5a ed., LTC

Editora, 1999.

Catlogo Geral da Mitsubishi Carbide, 2013.

Webliografia:

Site da Empresa de Equipamentos para indstria de leo e gs disponvel em

, acesso em 22/01/2014.

World Wide Chuck- Chuck Adapter Plates ASA B5.9 Type A, Disponvel em:

. Acesso em: 22/01/2014.

Comtex Machinery- DAEWOO PUMA 300L CNC LATHE TURNING CENTER, Disponvel em:

, Acesso em

22/01/2014.

48

Anexos:

Anexo1: Desenhos de fabricao do corpo da Vlvula esfera

50

Anexo2: Padres de Cones de Spindles ASA B5.9 Tipo A

Fig. 1

Fig. 2

MODEL CB06A05 CB08A05 CB08A06 CB10A06 CB10A08 CB15A08 CB15A11 CB18A08 CB18A11 CB21A11 CB21A15 CN10A06

Spindle

Nose A2-5 A2-5 A2-6 A2-6 A2-8 A2-8 A2-11 A2-8 A2-11 A2-11 A2-15 A2-6

A 5.512 6.693 6.693 8.661 8.661 11.811 11.811 14.961 14.961 14.961 14.961 7.874

B 0.591 0.866 0.669 0.984 0.709 1.299 0.866 1.299 0.866 1.614 1.063 0.787

C 3.250 3.250 4.188 4.188 5.501 5.501 7.751 5.501 7.751 7.751 11.25 4.188

D 3.138 3.138 4.055 4.055 5.354 5.512 7.563 5.512 7.563 7.563 9.921 4.055

E 0.641 0.641 0.766 0.766 0.953 0.953 1.156 0.953 1.156 1.156 1.406 0.766

F 0.256 0.256 0.256 0.256 0.315 0.315 0.394 0.315 0.394 0.394 0.394 0.256

G 4.125 4.125 5.250 5.250 6.750 6.750 9.252 6.750 9.252 9.252 13.000 5.250

H 0.472 0.433 0.531 0.531 0.669 0.669 0.827 0.669 0.827 0.827 0.945 0.531

J 4.567 5.250 5.906 6.750 7.480 9.252 10.236 9.252 12.598 13.000 13.000 6.750

K M12 M16 M20 M20 M22 M16

L 0.433 0.669 0.433 0.787 0.551 0.984 0.669 0.984 0.669 1.260 0.787 0.787

M 0.276 0.433 0.276 0.531 0.394 0.669 0.433 0.669 0.433 0.827 0.591 0.315

N 0.260 0.260 0.354 0.433 0.433 0.531

Fig. 1A 2 1B 2 1C 2 1C 2 1C 2 1D 2

51

Anexo 3: Informaes do modelo da castanha

Nome do modelo: castanha_A2_elementos_finitos

Configurao atual: Valor predeterminado

Corpos slidos

Nome e referncia do

documento Tratado como Propriedades volumtricas

Caminho/Data do documento

modificado

Linha de diviso1

Corpo slido

Massa:11.3665 kg

Volume:0.00144796 m^3

Densidade:7850 kg/m^3

Peso:111.391 N

D:\Rodrigo\Projeto final verso

2.0\castanha_A2_elementos_f

initos.SLDPRT

Jan 16 16:36:36 2014

52

Propriedades do estudo

Nome do estudo Estudo catanha

Tipo de anlise anlise esttica

Tipo de malha Malha slida

Efeito trmico: Ativada

Opo trmica Incluir cargas de temperatura

Temperatura de deformao zero 298 Kelvin

Inclui efeitos da presso de fluidos do

SolidWorks SimulationXpress

Desativada

Tipo de Solver FFEPlus

Efeito no plano: Desativada

Mola suave: Desativada

Atenuao inercial: Desativada

Opes de unio incompatveis Automtica

Grande deslocamento Desativada

Calcular foras de corpo livre Ativada

Atrito Desativada

Usar mtodo adaptvel: Desativada

Pasta de resultados Documento do SolidWorks

(D:\Rodrigo\Projeto final verso 2.0)

53

Unidades

Sistema de unidades: SI (MKS)

Comprimento/Deslocamento mm

Temperatura Kelvin

Velocidade angular Rad/s

Presso/Tenso N/m^2

Propriedades do material

Referncia do modelo Propriedades Componentes

Nome: AISI 4140 Ao recozido

Tipo de modelo: Isotrpico linear elstico

Critrio de falha

predeterminado:

Desconhecido

Limite de escoamento: 4.7e+008 N/m^2

Resistncia trao: 7.45e+008 N/m^2

Mdulo elstico: 2.05e+011 N/m^2

Coeficiente de Poisson: 0.285

Massa especfica: 7850 kg/m^3

Mdulo de

cisalhamento:

8e+010 N/m^2

Coeficiente de

expanso trmica:

1.2e-005 /Kelvin

Corpo slido 1(Linha de

diviso1)(castanha_A2_element

os_finitos)

Dados da curva:N/A

54

Acessrios de fixao e Cargas

Nome do

acessrio de

fixao

Imagem de acessrio de

fixao Detalhes de acessrio de fixao

Fixo-1

Entidades: 1 face(s)

Tipo: Em faces cilndricas

Translao: ---, ---, 0

Unidades: mm

Foras resultantes

Componentes X Y Z Resultante

Fora de reao(N) 0.106762 0.20029 9521.19 9521.19

Momento de reao(Nm) 0 0 0 0

Rolagem/Desliza

mento-2


Tipo: Rolagem/Deslizamento

Foras resultantes


Fora de reao(N) -991.211 -708.412 -2.08466 1218.34


55

Nome da carga Carregar imagem Detalhes de carga

Fora-7


Tipo: Aplicar fora normal

Valor: 9559 N

Fora-8



Valor: 1397 N

Fora-9


Referncia: Aresta< 1 >

Tipo: Aplicar fora

Valores: ---, ---, -1699 N

Informaes de malha


Gerador de malhas usado: Malha padro

Transio automtica: Desativada

Incluir loops de malha automticos: Desativada

Pontos Jacobianos 4 Pontos

Tamanho do elemento 10.4177 mm

Tolerncia 0.520884 mm

Qualidade da malha Alta

56

Informaes de malha - Detalhes

Total de ns 26649

Total de elementos 17511

Proporo mxima 20.755

% de elementos com Proporo < 3 94.8


% de elementos distorcidos(Jacobiana) 0

Tempo para concluso da malha (hh;mm;ss): 00:00:01

Nome do computador: XPSMOTTA

57

Anexo 4: Informaes do modelo das guias

Nome do modelo: guia A_elementos finitos

Configurao atual: Default

Corpos slidos

Nome e referncia do

documento Tratado como Propriedades volumtricas

Caminho/Data do documento

modificado

Linha de diviso4

Corpo slido

Massa:2.56402 kg

Volume:0.000326626 m^3

Densidade:7850 kg/m^3

Peso:25.1274 N

D:\Rodrigo\Projeto final verso

2.0\guia A_elementos

finitos.SLDPRT

Jan 14 20:18:27 2014

58

Propriedades do estudo

Nome do estudo Estudo na guia

Tipo de anlise anlise esttica


Efeito trmico: Ativada

Opo trmica Incluir cargas de temperatura

Temperatura de deformao zero 298 Kelvin

Inclui efeitos da presso de fluidos do SolidWorks

SimulationXpress

Desativada

Tipo de Solver FFEPlus

Efeito no plano: Desativada

Mola suave: Desativada

Atenuao inercial: Desativada

Opes de unio incompatveis Automtica

Grande deslocamento Desativada

Calcular foras de corpo livre Ativada

Atrito Desativada

Usar mtodo adaptvel: Desativada

Pasta de resultados Documento do SolidWorks

(D:\Rodrigo\Projeto final verso 2.0)

59

Unidades

Sistema de unidades: SI (MKS)

Comprimento/Deslocamento mm

Temperatura Kelvin

Velocidade angular Rad/s

Presso/Tenso N/m^2

Propriedades do material

Referncia do modelo Propriedades Componentes

Nome: AISI 4140 Ao,

normalizado a 870C

Tipo de modelo: Isotrpico linear elstico

Critrio de falha

predeterminado:

Desconhecido

Limite de escoamento: 4.6e+008 N/m^2

Resistncia trao: 7.31e+008 N/m^2

Mdulo elstico: 2.05e+011 N/m^2

Coeficiente de Poisson: 0.285

Massa especfica: 7850 kg/m^3

Mdulo de

cisalhamento:

8e+010 N/m^2

Corpo slido 1(Linha de

diviso4)(guia A_elementos

finitos)

Dados da curva:N/A

60

Acessrios de fixao e Cargas

Nome do

acessrio de

fixao

Imagem de acessrio de

fixao Detalhes de acessrio de fixao

Rolagem/Desliza

mento-1



Foras resultantes


Fora de reao(N) -2180.84 -1054.89 152.429 2427.36


Rolagem/Desliza

mento-2



Foras resultantes


Fora de reao(N) 0.205543 -51.3243 0.359723 51.326


Fixo-1


Tipo: Geometria fixa

61

Foras resultantes


Fora de reao(N) 990.24 -64.1454 19052.1 19077.9


Nome da carga Carregar imagem Detalhes de carga

Torque-1


Referncia: Face< 1 >

Tipo: Aplicar torque

Valor: 1370 Nm

Torque-2


Referncia: Face< 1 >

Tipo: Aplicar torque

Valor: 1371 Nm

Fora-4



Valor: 1188 N

62

Informaes de malha


Gerador de malhas usado: Malha padro

Transio automtica: Desativada

Incluir loops de malha automticos: Desativada

Pontos Jacobianos 4 Pontos

Tamanho do elemento 6.88864 mm

Tolerncia 0.344432 mm

Qualidade da malha Alta

Informaes de malha - Detalhes

Total de ns 20547

Total de elementos 12726

Proporo mxima 26.91



% de elementos distorcidos(Jacobiana) 0

Tempo para concluso da malha (hh;mm;ss): 00:00:01

Nome do computador: XPSMOTTA

64

Anexo 5: Clculo do balanceamento do dispositivo de fixao

da vlvula esfera de 2.1/16in

Legenda:

Dados iniciais:...................

Clculos:............................

Resultados:......................

XXX

XXX

XXX

65

Posio do centro de Massa do

dispositivo:...................

Massa do dispositivo:...................

Densidade do Ao:...............

1- Anlise esttica do desbalanceamento do dispositivo:

1.1- Brao de alavanca devido ao desbalanceamanto:

1.2- Momento devido ao desbalanceamanto:

Considerando que os atritos internos dos spindle da mquina geram momentos maiores do que

isso, o dispositivo ir ficar parado em qualquer orientao quando acoplado ao spindle do torno.

MC

0.02 mm

93.01mm

0.01 mm

Md 150.06kg

ao 7850kg

m3

RMC MC

1

0

0

2

MC

0

0

1

2

RMC 0.022 mm

Mest Md RMC g Mest 0.033 N m

66

2-Clculo das foras devido ao desbalanceamento dinmico do

dispositivo:

Hiptese 2- Como no h uma grande variao no dimetro da rea usinada irei considerar a

velocidade angular como constante.

Velocidade angular crtica:...........

2.1-Clculo das foras resultantes no spindle:

max

0

1100rpm

0

R1 MC

1

0

0

2

MC

0

0

1

2

R1 0.022 mm

y2 MC

0

1

0

PMc ( )

R1 cos ( )

y2

R1 sin ( )

VMc ( )

R1 max cos ( )

0

max R1 sin ( )

67

Logo as foras resultantes sero:

Logo o vetor fora resultante ser:

2.2-Clculo dos momentos resultantes no spindle:

GM ( ) Md VMc ( )

F1 ( )tGM ( )

d

d

F 1 ( ) Md

R1 max 2

cos ( )

0

max 2

R1 sin ( )

Fresult_1 Md

R1 max 2

cos atan 2( )( )

0

max 2

R1 sin atan 2( )( )

Fresult_1

2.03

0

4.061

kgf Fresult_1

19.912

0

39.823

N

IMc

3432141.81

683.7

6825.08

683.7

2832505.04

419.65

6825.08

419.65

3302370.15

kg mm2

HM IMc max

M 1 max HM

M 1

5.568

0

9.072

N m

68

3- Clculo da massa necessria para compensar o desbalanceamento

dinmico do dispositivo:

Hiptese 1- Vou considerar a carga de balanceio como uma massa pontual

3.1-Definindo o vetor posio e velocidade da massa pontual:

A posio radial do vetor a medida do circulo externo do dispositivo, a altura pela posio dos

furos para acoplar as massas de balanceio e o ngulo. ou em coordenadas cartesianas:

Dimetro externo do dispositivo:.............

Vetor posio da massa de balanceio:

Ddisp 400mm

0 atan

MC

1

0

0

MC

0

0

1

0 63.435

Pp

Ddisp

2cos 0

72mm

Ddisp

2sin 0

y Pp

0

1

0

69

Vetor velocidade da massa de balanceio:

3.2-Definindo equaes de movimento:

Vp

Ddisp

2max cos 0

0

Ddisp

2max sin 0

Gp mp mp Vp

F2 mp tGp mp

d

d

F 2 mp mp

Ddis p

2max

2 cos 0

0

max 2

Ddis positivo

2 sin 0

Hp mp Pp Vp mp

M 2 mp tHp mp

d

d

M 2 mp

Ddisp

2max

2 y sin 0

0

max 2

Ddisp

2 y cos 0

mp

70

3.3-Massa de balanceio:

Esse programa visa otimizar a posio da massa de balanceio. Para ento poder definir a massa de

balanceio

1 mp

M 1

0

0

1

max 2

Ddisp

2 y cos 0

1 0

1 1 0.1

mp

M 1

0

0

1

max 2

Ddisp

2 y cos 1

Ddisp

2max

2 y sin 1

0

max 2

Ddisp

2 y cos 1

mp M 1

1

0

0

0.01N mwhile

1

31.565

mp

M 1

0

0

1

max 2

Ddisp

2 y cos 1

mp 0.056kg

71

2.4-Conferindo os efeitos da massa de balanceio sobre os momentos

resultantes no dispositivo:

M2

Ddisp

2max

2 y sin 1

0

max 2

Ddisp

2 y cos 1

mp

M2 M 1

5.18 103

0

0

N m

Pp

Ddisp

2cos 1

72mm

Ddisp

2sin 1

170.409

72

104.693

mm

72

Anexo 6: Clculo dos esforos no dispositivo de fixao da

vlvula esfera de 2.1/16in

Legenda:

Dados iniciais:...................

Clculos:............................

Resultados:......................

0-Material da pea:

A pea a ser fixada no dispositivo feita de Ao AISI 4140 forjado e normalizado.

Os elementos de liga so:

E as propriedades desse metal so:

Mdulo de Young do ao 4140:........................

Tenso limite de Escoamento do ao 4140:.......

Tenso limite de ruptura do ao 4140:.............

Dureza superficial do ao 4140:....................

Considerando as porcentagens de mangans e Cromo no ao AISI 4140, podemos

consideralo um Ao cromo mangans.

Fazendo uma aproximao linear temos a presso de corte usinagem no intervalo de

0.1mm/rev 0.2mm/rev.

XXX

XXX

XXX

Carbono 0,40%

Silcio 0,25%

Mangans 0,85%

Cromo 1,00%

Molibidnio 0,25%

E4140 207GPa

Sy4140 710MPa

Sut 4140 920MPa

Dureza4140 300HB

73

Presso de corte:................................

1-Esforos de corte durante o processo de usinagem:

Como o objetivo identificar os esforos crticos no irei calcular as foras de corte nas

operaes de acabamento. Tendo em vista que ela sero muito menores do que as

encontradas nas operaes de desbaste.

1.1-Primeira operao (faceamento):

Velocidade de corte da 1 operao:..........

Profundidade de corte da 1 operao:..........

Avano por rotao da 1 operao:..........

Kc feed( ) feed 5.8 103

MPa

mm

Vc1 160m

min

ap1 1mm

feed1 0.2mm

74

1.1.1-Fora de corte na primeira operao:

1.1.2-Fora de avano na primeira operao:

Vou considerar a fora na direo do avano com magnitude igual a 22% da na direo da

velociade de corte. Como indicado napgina 61 do livro Tecnologia da usinagem dos materiais.

1.2-Segunda operao (Torneamento interno com barra de mandrilhar):

Esta operao existe devido h uma falha de projeto que no previu que ao usinar a face da

flange as duas metades da circunferncia a ser usinada nesta operao seriam comprometidas.

Ento para evitar reduzir a vida dos insertos devido ao corte intermitente, foi adcionada esta

operao.

Velocidade de corte da 2 operao:......

Profundidade de corte mxima da 2 operao:....

Avano por rotao da 2 operao:...............

Dimetro da Barra de mandrilar da 2 operao:...

Fcorte1 Kc feed1 ap1 feed1

Fcorte1 232N Fcorte1 23.657 kgf

Ffeed1 Fcorte1 0.22

Ffeed1 51.04N Ffeed1 5.205 kgf

Vc2 90m

min

ap2 0.75mm

feed2 0.15mm

Dbarra_mandrilhar 48mm

75

1.2.1-Fora de corte na 2 operao:

1.2.2-Fora de avano na 2 operao:



1.2.4-Rotao na 2 operao:

1.3-Terceira operao (Torneamento interno com barra tipo "cegonha"):

Rugosidade superficial esperada na 3 operao:..........

Raio de ponta do inserto usado na 3 operao:..........

1.3.1-Avano na 3 operao:


Fcorte2 97.875N Fcorte2 9.98 kgf

Ffeed2 Fcorte2 0.22


op2

2Vc2

Dbarra_mandrilhar 596.831 rpm

Ra3 32m

Rp3 0.4mm

feed3 8 Ra3 Rp3

feed3 0.32 mm

76

1.3.2-Profundidade de corte na 3 operao:

Analisando o grfico defini a profundidade de corte como 2mm

1.3.3-Velocidade de corte na 3 operao:


ap3 2mm

Vc3 200 0.68 0.83( )m

min

Vc3 112.88m

min

Fcorte3 2900MPa ap3 feed3

Fcorte3 1.856 kN Fcorte3 189.259 kgf

77




1.4.6-Velocidade angular mxima na 3 operao:

Dimetro menor da superfcie usinada:..........

1.4-Quarta operao (Torneamento interno):

Rugosidade superficial esperada na 3 operao:..........

Raio de ponta do inserto usado na 3 operao:..........

1.4.1-Avano na 3 operao:

Ffeed3 Fcorte3 0.22


Dusi 48mm

op3

2Vc3

Dusi

748.559rpm

Ra4 1.6m

Rp4 0.4mm

feed4 8 Ra4 Rp4

feed4 0.072 mm

78

1.4.2-Profundidade de corte da 3 operao:

Analisando o grfico defini a profundidade de corte como 1.0mm

1.4.3-Velocidade de corte da 3 operao:

Logo multiplicando a velociade de corte indicada pelos fatores de correo para uma vida de

30min teremos uma velociade de corte de:


ap4 1.0mm

Vc4 250 0.82 0.68( )m

min

Vc4 139.4m

min


Fcorte4 29.696N Fcorte4 3.028 kgf

79




2-Esforos no fuso:

Ffeed4 Fcorte4 0.22


80

Para esses clculos vou assumir que os esforos no fuso so uniaxiais.

2.1-Esforo em Z devido a rotao:

Massa da castanha sem pino:..........

Massa da castanha com pino:........

Distncia do centro de massa da castanha sem pino em relao ao centro

de rotao:..........

Distncia do centro de massa da castanha com pino em relao ao

centro de rotao:..........

Mcast_sem 11.46kg

Mcast_com 11.52kg

Z0_cast_sem 103.97mm

Z0_cast_com 103.67mm

Frot_cas t_sem Mcast_sem op3 2

Z0_cast_sem

Frot_cast_sem 7.322 kN Frot_cast_sem 746.588kgf

Frot_cas t_com Mcast_com op3 2

Z0_cast_com

Frot_cast_com 7.339 kN Frot_cast_com 748.331kgf

81

2.2-Delta do esforo devido rotao:

2.3-Fora mxima no fuso:

Analisando os esforos de corte que atuam na direo do eixo Z conclui que o pico de fora

acontece na terceira operao.

Limite de escoamento do ao 4140 temperado e

revenido a 315:..........

Limite de escoamento do ao 4140 em cisalhamento:

Menor dimetro da rosca central:..........

Maior dimetro da rosca central:..........

Comprimento rocado em cada castanha:..........

Passo da rosca central:..........

F rot_cast Frot_cast_com Frot_cast_sem

F rot_cast 1.743 kgf F rot_cast 17.096 N

Fmax_fuso Fcorte3 Frot_cast_com

Fmax_fuso 9.195 kN Fmax_fuso 937.591kgf

Sy4140TR 1570MPa

SY4140TR

Sy4140TR

2

drfuso_central 14mm

Drfuso_central 19.05mm

Hcastanha 70mm

Pfuso_central 4.23mm

F75%_rc

Sy4140TR drfuso_central Hcastanha

4

F75%_rc 1.208 103

kN F75%_rc 1.232 105

kgf

2.4-Fora necessria para atingir 75%do limite de escoamento

na rosca central do fuso:

82

2.5-Torque mximo aplicvel com, uma chave Allen, a rosca do fuso:

Sabendo que o brao de alavanca de uma chave Allen de 8mm com brao longo de

aproximadamente 200mm. Posso estimar o torque mximo aplicvel ao dispositivo, usando a

tabela do Protec como parmetro.

Fora mxima exercvel em uma alavanca curta para baixo:

Comprimento do brao da chave:..........

2.6-Fora resultante do torque mximo aplicvel com, uma chave Allen,

a rosca do fuso:

ngulo entre os dentes da rosca ACME:..........

Coeficiente de atrito metal x metal na rosca:..........

Falvanca.max 40kgf

Lbchave 200mm

Tmax.fuso Falvanca.max Lbchave 78.453 N m

acme 29

rosca 0.1

83

Como esse torque insuficiente vou adicional uma extenso a chave Allen aumentando seu

brao de alavanca para 500mm

2.7-Fora resultante do torque mximo aplicvel com, uma chave Allen +

barra extensora, a rosca do fuso:

Comprimento do brao da chave + barra:........

2.8-Tenso de cisalhamento mxima na rosca central do fuso:

Dmdio.fuso.central

Drfuso_central drfuso_central 2

Ftorque

2 Tmax.fuso

Dmdio.fuso.central

Dmdio.fuso.central rosca Pfuso_central secacme

2

Pfuso_central Dmdio.fuso.central secacme

2

Ftorque 8.449 kN

Ftorque

Fmax_fuso

0.919

Lb 400mm

Torque max.fuso2 Falvanca.max Lb 156.906 N m

Ftorque2

2 Torque max.fuso2

Dmdio.fuso.central

Dmdio.fuso.central rosca Pfuso_central secacme

2

Pfuso_central Dmdio.fuso.central secacme

2

Ftorque2 16.898 kN

Ftorque2

Fmax_fuso

1.838

cis_RC

2 Ftorque2

drfuso_central Hcastanha 10.977 MPa

Cscis_RC

SY4140TR

cis_RC

71.514

84

2.10-Tenso de compresso mxima na rosca central do fuso:

2.11-Tenso de trao mxima no ncleo da rosca central do fuso:

2.12-Tenso de cisalhamento mximo no ncleo da rosca central durante

o aperto do fuso:

comp_RC

Ftorque2 4 Pfuso_central

Drfuso_central2

drfuso_central2

Hcastanha

7.79 MPa

Cscomp_RC

Sy4140TR

comp_RC

201.551

tra_RC

4 Ftorque2

drfuso_central2

109.769 MPa

Cstra_RC

Sy4140TR

tra_RC

14.303

torque1

16Torque max.fuso2

drfuso_central3

291.224 MPa

Cs.torque1

SY4140TR

torque1

2.696

3-Tenses na rosca de menor dimetro do fuso:

Menor dimetro da rosca menor:..........

Maior dimetro da rosca menor:..........

Comprimento das porcas:..........

Passo da rosca menor:..........

A rosca menor o que impede o deslocamento do fuso devido ao de foras

assimtricas. Logo:

3.7-Tenso de cisalhamento mxima na rosca menor do fuso:

drrosca_menor 11.546mm

Drrosca_menor 14mm

Hporca 70mm

Prosca_menor 2mm

Fext.fuso F rot_cast Fcorte3

cis_Rm

Fext .fuso

drrosca_menor Hporca 0.738 MPa

85

3.8-Tenso de compresso mxima na rosca menor do fuso:

3.9-Tenso de trao mxima no ncleo da rosca menor do

fuso:

2.12-Tenso de cisalhamento mximo durante o aperto no

ncleo da rosca menor do fuso:

Cscis_Rm

Sy4140TR

cis_Rm

2.128 103

comp_Rm

Fext .fuso 2 Prosca_menor

Drrosca_menor2

drrosca_menor2

Hporca

0.543 MPa

Cscomp_Rm

Sy4140TR

comp_Rm

2.889 103

tra_Rm

4 Fext .fuso

drrosca_menor2

17.89 MPa

Cstra_Rm

Sy4140TR

tra_Rm

87.759

torque2

16Torque max.fuso2

drrosca_menor3

519.178 MPa

Cs.torque2

SY4140TR

torque2

1.512

86

4-Fadiga no fuso devido ao carter cclico dos esforos de corte

durante a usinagem:

Limite de resistncia a trao do ao 4140

temperado e revenido a 315:..........

Temperatura ambiente

Valores retirados do Shigley Rosca usinada

99% de confiabilidade

Rosca cortada

Trao axial

4.1-tenso mdia e de amplitude no filete da rosca central do fuso:

Sut 4140TR 1760MPa

Se1 0.566 9.68 105

Sut4140TR

MPa

Sut4140TR

Kd 1

Ka 1.58Sut4140TR

MPa

0.085

Kcfad 0.814

Ke1

2.8

Kb 1

Se Ka Kb Kcfad Kd Ke Se1

mfuso

2 Ftorque Frot_cast_com drfuso_central Hcastanha

10.256 MPa

afuso

2 Fcorte3 drfuso_central Hcastanha

1.206 MPa

87

Critrio de Goodman

4.3-tenso mdia e de amplitude no ncleo da rosca do fuso:

4.4-Coeficiente de segurana a fadiga no

ncleo da rosca do fuso:

5-Tenses nos parafuso do dispositivo:

Torque mximo do spindle:........

Momento de inrcia em y do dispositivo com

a flange:........

5.1-Acelerao angular mxima do spindle:

4.2-Coeficiente de segurana a fadiga no filete da rosca do fuso:

1

afuso

Se

mfuso

Sut4140TR

77.267

mfuso2

2 Ftorque Frot_cast_com

drfuso_central2

51.279 MPa

afuso2 2Fcorte3 F rot_cast

drfuso_central2

6.084 MPa

1

afuso2

Se

mfuso2

Sut 4140TR

15.376

Tspindle 884lbf ft

Ifull 2832382.58kg mm2

spindle

Tspindle

Ifull

spindle 423.157rad

s2

88

5.2.1-Mnima fora de compresso exercida pelos parafusos que

conectam flange e dispositivo:

Dimetro maior da flange:........

Dimetro menor da flange:........

Momento de inrcia em y do dispositivo sem

a flange:........

Coeficiente de atrito metalxmetal na flange

:..........

(Equao 16-28 do shigley)

Dflange 400mm

dflange 192.32mm

Idisp 1821574.29kg mm2

metalxmetal 0.12

Tflange Idisp spindle

Fflange

3Tflange Dflange2

dflange2

metalxmetal Dflange3

dflange3

89

Logo a fora exercida por cada parafuso deve ser minimamente:

5.2.2-Mxima fora de compresso exercida pelos parafusos que

conectam flange e dispositivo:

Dimetro maior do parafuso M18:........

Dimetro menor do parafuso M18:........

Dimetro efetivo do parafuso M18:........

Passo do parafuso M18:........

ngulo da rosca mtrica:........

5.2.3-Torque de pr carga nos parafusos que conectam flange e

dispositivo:

Fflange 41.671 kN

Fflange

410.418 kN

DM18 18mm

dM18 14.93mm

def.M18 16.375mm

PM18 2.5mm

metrica 60

Fmax.M18 Sy4140 dM182

4

Fmax.M18 124.299 kN

Fpc.M18 Fmax.M18 0.7 87.009 kN

Tparaf.flange

Fpc.M18 def.M18

2

PM18 def.M18 secmetrica

2

def.M18 rosca PM18 secmetrica

2

Tparaf.flange 862.053 N m

90

5.3- Carga mnima necessria nos parafuros dos mancais:

Massa do mancal:........

Raio de rotao do mancal:........

5.3.1- Foras atuando nos mancais:

Os mancais so responsaveis por suportar todas as cargas assimetricas. Ou seja a resultante

devido a rotao (porque as castanhas tem massas diferentes) e os esforos de usinagem.

Assumindo que o fuso no contribua na resistncia ao arrancamento dos mancais no caso do esforo

devido a rotao.

Portanto a fora de atrito necessaria para manter o mancal no lugar ser:

5.3.2- Foras de aperto necessria nos parafusos

do mancal:

Mmancal 1.8kg

Rmancal 160.44mm

Frot.mancal Mmancal op32

Rmancal 1.775 kN

Ffuso.mancal Fcorte3 F rot_cast 1.873 kN

Fatmancal Frot.mancal Ffuso.mancal 98.522 N

91

5.3.3-Tenses devido a fora de aperto nos parafusos do

mancal: Dimetro maior do parafuso M8:........

Dimetro menor do parafuso M8:........

Fparaf.mancal

Fatmancal

metalxmetal

0.821 kN

DM8 8mm

dM8 6.77mm

trao_M8

Fparaf.mancal

dM8 2 2

4

11.404 MPa

cis_M8

Fparaf.mancal

dM82

2

2.851 MPa

Cstrao.M8

Sy4140

trao_M8

62.259

92

Anexo 7: Clculo das condies de contorno nas castanhas e

guias do dispositivo para utilizar o mtodo de elementos

finitos.

Legenda:

Dados iniciais:...................

1- Fora de corte perpendicular com o fuso:

1 hiptese: as guias e o fuso so rgidos.

2 hiptese: o corpo da vlvula rgido e transfere todos os esforos sem que haja deformao

do mesmo.

3 hiptese: como o dispositivo primeiramente comprimido durante a montagem, com uma

fora maior do que a de abertura gerada pela rotao das castanhas e muito maior do que a de

aperto no parafuso do topo da castanha, o cisalhamento no mesmo pode ser desprezado.

XXX

93

Distncia mxima ente o eixo 1 e a fora de corte:.....

Raio mdio de atuao de F3 em

relao ao eixo 1:.....

Mz=0, logo:

Fcorte

1.856 kN

408.32 N

0

Ffuso

0

0

16.898 kN

F1 Ffuso

0

0

1

F6 Fcorte

1

0

0

F7 Fcorte

0

1

0

F2 F1

ER1_Fcorte 66.7mm

Rm_F377.9 62.32( )mm

435.055 mm

F3

F6

2

ER1_Fcorte

Rm_F3 F3 1.766 kN

Para fins de simplificao considerarei F1= -F2

94

My=0_A, logo:

Coeficiente de atrito metal x metal:..........

Mx=0_C, logo:

AB 171.3mm

AFcorte 109.68mm

F8

F6

sin 45( )

AFcorte

AB

F8 1.681 kN F8 sin 45( ) 1.188 103

N

metalxmetal 0.12

C_F 9 206.15mm C_F 8 188.8mm

C_F 4 199.8mm C_F 7 127.15mm

F9 F4 F8 sin 45( )F7

2

F4

F8 sin 45( ) C_F 8 C_F 9 F7 C_F 7C_F 9

2

C_F 4 C_F 9

F4 1.699 kN

95

Clculo dos esforos nas guias do dispositivo

atravs do mtodo de elementos finitos.

1- Fora de corte paralela ao fuso:

97

Distncia o referencial zero linha mdia das

guias:........

Distncia o referencial zero ao centro de massa da

castanha com guia:........

Distncia o referencial zero ao centro de massa da

castanha sem guia:........

Distncia o referencial zero ao centro do corpo da

vlvula:........

Fora devido rotao da castanha com guia:....

Fora devido rotao da castanha sem guia:....

Fora de corte durante a 3 operao de usinagem:....

Fora de avano durante a 3 operao de usinagem:....

Fora de compresso das castanhas:....

Momento devido rotao da castanha sem guia:

Momento devido rotao da castanha com guia:

L 0 127mm

yC_com 182.1mm

yC_sem 181.9mm

yC_valv 228.05mm

Frot_cast_com 7.339kN

Frot_cast_sem 7.322kN

Fcorte3 1.856kN

Ffeed3 408.32N

Ftorque2 16.898kN

Mrot_sem Frot_cast_sem yC_sem L 0

Mrot_sem 401.978N m

Mrot_com Frot_cast_com yC_com L 0

Mrot_com 404.379 N m

98

Anexo 8: desenhos do dispositivo

Normal na castanha sem guia devido compresso:

Normal na castanha com guia devido compresso:

Momento devido normal na castanhas sem guia devido compresso:

Momento devido normal na castanhas com guia devido compresso:

Fora para baixo feita pela castanha mais prxima a ferramenta de corte:

Ncomp_sem Ftorque2 2Frot_cast_sem Frot_cast_com

Ncomp_sem 9.593 kN

Ncomp_com Ftorque2 Frot_cast_com

Ncomp_com 9.559 kN

Mcomp_sem Ncomp_sem yC_valv L 0

Mcomp_sem 969.373 N m

Mcomp_com Ncomp_com yC_valv L 0

Mcomp_com 965.937 N m

F8 cos 45( ) F7 780.04N

Mtotal_sem Mrot_sem Mcomp_sem 1.371 103

N m

Mtotal_com Mrot_com Mcomp_com 1.37 103

N m

Documents

Monopol i 10009790