Waldenir Caravantes Santos CURSO
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Waldenir Caravantes Santos CURSO
DESENVOLVIMENTO E CONSTRUÇÃO DE UM DISPOSITIVO DE MICRODESGASTE POR ESFERA FIXA DE BAIXO CUSTO. Relatório Final 2013 Aluno: Waldenir Caravante Santos e-mail: [email protected] Orientador: Prof. Dr. Luciana Sgarbi Rossino e-mail: [email protected] Agradecimentos Agradeço, primeiramente, a Deus pela oportunidade que me foi dada, minha orientadora, Prof. Dr. Luciana Sgarbi Rossino, minha esposa Adriana e meu filho Henrique, que me apoiaram todo momento, entre outras pessoas que colaboram para que este projeto fosse possível. RESUMO O objetivo deste trabalho foi a construção de um dispositivo de esfera fixa de fácil aplicação e baixo custo, para a realização de ensaios de desgaste de microabrasão por esfera fixa. Os eixos de fixação e os rolamentos foram projetados a fim de suportar as solicitações aplicadas, os quais sofrerão cargas aplicada, axial e tangencial. Para dimensionamento dos mancais que alojariam os rolamentos, foi levando em conta a altura do motor. Nos mancais traseiros foi usado rolamento para diminuírem o atrito e assim não influenciar o contato da esfera com o corpo de prova. Para distância entre os mancais recorremos ao recurso da física, equilíbrio de um corpo por alavanca. O contato produzido durante o ensaio de desgaste foi realizado por uma esfera de aço AISI 52100, a qual irá girar com grande precisão, em relação a uma amostra plana que se mantém estacionária. A esfera é mantida em contato sobre pressão ao corpo de prova, e a carga normal de ensaio é aplicada através de ajustes a qual pode ser variada a cada ensaio realizado. A carga foi colocada sobre o corpo de prova devido a fácil leitura e redução do tamanho do dispositivo. Foi feito tratamento superficial dos componentes do dispositivo para evitar oxidação e montagem do mesmo, foram realizados testes iniciais que comprovaram a funcionalidade e bom desempenho do equipamento. Este dispositivo será utilizado para a determinação da resistência ao desgaste e eficácia de tratamentos de superfície utilizados em peças que sofrem este tipo de solicitação em serviço. Palavras-chave: Ball - cratering. Dispositivo esfera fixa. Micro desgaste. LISTA DE FIGURAS Figura 1 – Representação esquemática dos principais tipos de desgaste (a) Desgaste abrasivo por dois corpos, (b) Desgaste abrasivo por três corpos, (c) desgaste adesivo, (d) desgaste por fadiga (Wright, 2001). .................... 2 Figura 2 – Atrito de Escorregamento. ................................................................. 6 Figura 3 – Atrito de Rolamento ........................................................................... 6 Figura 4 – Dispositivo de ensaio desgaste micro - abrasivo por esfera rotativa fixa (a) (Escola de Engenharia de São Carlos) Dispositivo usado como referencia (b) ............................................................................................... 7 Figura 5 – Diagrama de força de contato em um aparelho de esfera rotativa livre, (dispositivo Escola de Engenharia de São Carlos). ............................ 8 Figura 6 – Analogamente braço de ação é a distância entre o ponto de apoio e a força de ação. ........................................................................................... 9 Figura 7 – Representa principio de força por alavanca .................................... 10 Figura 8 – Representação do suporte do corpo de prova em equilíbrio com a esfera de contato, levando em conta a teoria de alavanca. ...................... 10 Figura 9 – Representa o funcionamento básico do dispositivo......................... 12 Figura 10 – Esfera de contato .......................................................................... 14 Figura 11 – Representa mancal dianteiro ......................................................... 14 Figura 12 – Representa mancal traseiro........................................................... 15 Figura 13 – Representa o contrapeso. ............................................................. 16 Figura 14 – Representa suporte de fixação do corpo de prova ........................ 16 Figura 15 – Apresenta o dispositivo de ensaio de desgaste por esfera fixa projeta do e construído .............................................................................. 17 Figura 16 – Apresenta o corpo de prova com desgaste micro – abrasivo ........ 20 Figura 17 – Representa calota formada pela esfera em um corpo de prova .... 20 LISTA DE TABELAS Tabela 1 – Tabela de escolha do motor, ilustrando os parâmetros. ................. 13 Tabela 2 – Tabela conversão de Hertz para RPM do motor............................. 13 Sumário RESUMO ............................................................................................................ 4 1. Introdução ....................................................................................................... 1 2. Revisão Bibliográfica ...................................................................................... 5 2.1 Atrito por rolamento................................................................................... 5 2.2 Dispositivos de Microdesgaste .................................................................. 7 2.3 Equilíbrio de um corpo por alavanca ......................................................... 9 3. Objetivo ........................................................................................................ 11 4. Descrição do Dispositivo .............................................................................. 12 4.1 Componentes do dispositivo ................................................................... 12 4.1.1 Escolha do motor elétrico ................................................................. 12 4.1.2 Componente de atrito ....................................................................... 13 4.1.3 Mancais dianteiros ............................................................................ 14 4.1.4 Mancais traseiros ............................................................................. 14 4.1.5 Contrapeso ....................................................................................... 15 4.1.6 Suporte do corpo de prova ............................................................... 16 5. Montagem do Dispositivo ............................................................................. 17 6. Considerações finais .................................................................................... 19 6.1 Corpo de prova ....................................................................................... 19 7. Conclusões ................................................................................................... 21 8. Referências Bibliográficas ............................................................................ 22 APÊNDICE A .................................................................................................... 25 1 1. Introdução A palavra tribologia, derivada do grego, significa estudo do atrito, sendo a ciência e tecnologia de superfícies que interagem, abrangendo o estudo do atrito, do desgaste, da lubrificação e das irregularidades (Hutchings, 1992). Define-se desgaste como o dano em uma superfície sólida, geralmente envolvendo perda progressiva de material, devido ao movimento relativo entre duas superfícies em contato, sendo um fenômeno complexo que depende das condições de deslizamento e propriedades dos materiais. Esta perda de material pode acarretar diminuição da funcionalidade do componente e consequentemente de equipamentos no qual está inserido. Como o fenômeno do desgaste é comum na grande maioria dos equipamentos mecânicos, a sua ocorrência pode ser o fator determinante na quantificação da vida útil de tais dispositivos (Yamaguchi, 1990). O estudo dos mecanismos de desgaste e da resistência ao desgaste em um sistema tribológico é fundamental para a otimização na escolha dos materiais envolvidos, para a previsão da durabilidade do sistema e em setores industriais em que o desgaste causa a parada ou a diminuição da produção, que envolve elevados custos de manutenção. Tão importante quanto isso é pesquisar, estudar e entender os processos de desgaste que atuam em condições específicas. Este tipo de estudo é normalmente feito através de ensaios em equipamentos que simulam as condições tribológicas existentes no funcionamento do sistema na aplicação real. Desta forma, os equipamentos que se destinam à simulação de sistemas tribológicos devem ser específicos 2 para o tipo ou o mecanismo de desgaste que se pretende estudar (Yamaguchi, 1990; Gahr, 1987). Vários mecanismos de desgaste podem ser observados em situações práticas, e os mais importantes são: abrasão, adesão, fadiga e corrosão. A Figura 1 ilustra um esquema dos tipos de desgaste citados acima (Suh, 1973; Harsha, 2003, Wright, 2001). (a) (c) (b) (d) Figura 1 – Representação esquemática dos principais tipos de desgaste (a) Desgaste abrasivo por dois corpos, (b) Desgaste abrasivo por três corpos, (c) desgaste adesivo, (d) desgaste por fadiga (Wright, 2001). O desgaste por abrasão ocorre entre superfícies de durezas diferentes, causado por partículas ou protuberâncias duras presentes entre as superfícies em contato sob movimento relativo ou por micro-irregularidades de tais superfícies. Já o desgaste por adesão, ocorre quando as forças atômicas de 3 atração que surgem entre as superfícies dos materiais sob carregamento relativo são mais fortes que as propriedades inerentes de qualquer das superfícies, com subsequente quebra de ligação adesiva entre as superfícies em contato criando partículas de desgaste. Para o desgaste por fadiga, tensões e deformações cisalhantes cíclicas na região superficiais e subsuperficiais no material formam trincas que resultam na separação de material. Dentre os vários tipos de desgaste classificados pela norma ASTM G40 – 96 está o desgaste abrasivo, que recentemente vem sendo estudado por uma nova configuração de equipamento, comumente denominada de “máquina de desgaste micro-abrasivo”. Na língua inglesa, a mesma é denominada “microabrasive wear testing machine”. Para a realização deste trabalho de Iniciação Científica, foi projetado e construído um equipamento de ensaio de desgaste micro-abrasivo por esfera fixa, o qual será utilizado para determinação do comportamento, resistência e eficiência de tratamentos de superfície no aumento da resistência ao desgaste de materiais sujeitos a este fenômeno em serviço, com ou sem a presença de abrasivo. Através do contato entre uma esfera (que está em movimento de rotação) e um corpo-de-prova estático, são geradas calotas esféricas, ou, também chamadas, crateras de desgaste. Através das análises dessas crateras, pode ser possível prever, ou, pelo menos estimar o comportamento do desgaste abrasivo de um material em condições reais de trabalho. Além disso, este ensaio também tem sido usado para se avaliar a resistência ao desgaste abrasivo de materiais volumétricos como aços ferramenta, aços carbono, vidros, cerâmicas, polímeros, ferros fundidos 4 brancos e até mesmo compósitos de restauração dentária (Stachowiak, 2004; Stachowiak, 2005). 5 2. Revisão Bibliográfica 2.1 Atrito por rolamento Para a configuração de ensaio de microabrasão por esfera fixa, sobre a esfera é aplicada uma força, definida em relação ao tempo pretendido do ensaio e ou vibração analisada pelo usuário. O contato e o movimento relativo entre os elementos gera uma força de atrito de rolamento, como ilustra a Figura 2. O atrito de rolamento é a resistência que se opõe ao rolamento de um corpo cilíndrico ou esférico sobre uma superfície. As causas que originam esta resistência quando uma esfera ou cilindro roda sobre uma superfície, a força atuante sobre eles produz uma depressão na superfície, geralmente muito pequena, e faz com que o contato não se dê mais por um ponto (esfera) ou uma reta (cilindro) e, sim, por uma zona de contato. O atrito manifesta-se quando uma superfície escorrega sobre a outra e é devida a inevitável rugosidade das superfícies em contato. Durante o rolamento, a resultante das reações do plano, se desloca, para frente, de δ, formando com N um binário de momento [ N . δ ] a que se deve opor o momento [ F . r ], como ilustra a Figura 3. 6 FA = µ . N µ = coeficiente de atrito N = força normal [kgf ] Figura 2 – Atrito de Escorregamento. N = força normal [kgf ] F = . Acondiçãoparaqueocilindroroleseescorregar ∶ > Figura 3 – Atrito de Rolamento 7 Para aumento do atrito durante os ensaios, é inserida uma pasta abrasiva, composta por pó abrasivo, (carbeto de silício e água destilada). Além do atrito deve se controlar, também, a rotação da esfera, a distância de deslizamento entre a esfera e o corpo de prova. 2.2 Dispositivos de Microdesgaste Na biografia existem duas principais configurações de equipamento para o ensaio de desgaste micro abrasivo: dispositivo por esfera rotativa fixa e dispositivo por esfera rotativa livre com dois e três corpos. Este tipo de pesquisa foi iniciado pelo Professor Ian M. Hutching (autor de Tribologia atrito e desgaste de Engenharia de Materiais, 1992). A Figura 4 (a) ilustra a configuração de um dispositivo de ensaio de desgaste micro abrasivo por esfera rotativa fixa (Escola de Engenharia de São Carlos), usado como referência na força por alavanca, e na Figura 4 (b) é representado o dispositivo usado como referência do modelo do dispositivo desenvolvido neste projeto. (a) (b) Figura 4 – Dispositivo de ensaio desgaste micro - abrasivo por esfera rotativa fixa (a) (Escola de Engenharia de São Carlos) Dispositivo usado como referencia (b) 8 No equipamento de ensaio de desgaste por esfera rotativa livre, a força normal é definida pelo próprio peso da esfera, além da inclinação do corpo de prova e suas posições em relação ao eixo motor. A mesma se movimenta em sentido de rotação contrário ao eixo, que é acionado por um motor elétrico. Já a força normal atuante sobre o corpo de prova será uma das componentes da força peso da esfera. A Figura 5 representa o funcionamento do dispositivo. Figura 5 – Diagrama de força de contato em um aparelho de esfera rotativa livre, (dispositivo Escola de Engenharia de São Carlos). Para construção do dispositivo deste projeto foi usado como referência o dispositivo de esfera fixa, devido à maior carga sobre o corpo de prova. Para tal podemos usar o dispositivo em materiais tratados superficialmente que exigirá uma carga maior para ocasionar o desgaste sobre a superfície a ser analisada. 9 2.3 Equilíbrio de um corpo por alavanca Na física, a alavanca é um objeto rígido que é usado com um ponto fixo apropriado (fulcro) para multiplicar a força mecânica que pode ser aplicada a um outro objeto (resistência). Isto é denominado também vantagem mecânica, e é um exemplo do princípio dos momentos. Alavanca é uma barra que pode girar em torno de um ponto de apoio, como ilustra a Figura 6. Quando se usa um pedaço de pau para deslocar uma pedra, um quebra-nozes para abrir castanhas ou uma pinça de confeitaria para pegar um doce você está usando uma alavanca. Figura 6 – Analogamente braço de ação é a distância entre o ponto de apoio e a força de ação. As alavancas podem ser divididas em três classes. Nas alavancas da primeira classe (alavancas interfixas), o ponto de apoio está entre o ponto de aplicação da força de ação e o da força de resistência. Nas da segunda classe (alavancas inter-resistentes), o ponto de aplicação da força de resistência está entre o da força de ação e o ponto de apoio. Nas da terceira classe (alavancas interpotentes), a força de ação está aplicada entre a de resistência e o ponto de apoio onde pode ser calculado â ! çã" !#!! pela formula, V.M.= â . 10 Para se resolver problemas sobre alavanca, aplica-se as condições de equilíbrio, F = Força Q = carga R = reação de apoio a, b = braços de alavanca, conforme ilustra a Figura 7. F.a=Q.b Figura 7 – Representa principio de força por alavanca Porém, é importante mencionar que não são todos os sistemas que possuem esta simplicidade em termos de equações, mas, com o decorrer deste projeto, essa foi a base que permitiu o entendimento dos cálculos que envolveram este assunto. Para o desenvolvimento deste projeto, o dispositivo de desgaste foi projeto de modo em que a carga de contato fosse aplicada levando em conta o princípio de equilíbrio de um corpo por alavanca, conforme ilustra a Figura 8. Figura 8 – Representação do suporte do corpo de prova em equilíbrio com a esfera de contato, levando em conta a teoria de alavanca. 11 3. Objetivo O objetivo deste trabalho foi de projetar e construir um equipamento de ensaio de desgaste micro-abrasivo por esfera rotativa fixa, hábil para ensaio em corpo de prova com ou sem tratamento superficial com fácil manuseio, com aplicação da carga sem a necessidade de cálculo e baixo custo. 12 4. Descrição do Dispositivo Para a realização deste projeto, foi desenvolvido um dispositivo de esfera fixa, conforme ilustra a Figura 9. Cada parte do dispositivo será descrito em detalhes a seguir. As s dimensões de todas as peças que com mpõem o dispositivo estão apresenta adas no Anexo I. Figura 9 – Representa o funcionamento básico do dispositivo 4.1 Componentes do dispositivo 4.1.1 Escolha do motor elétrico Por ser um projeto de Foi usado motor elétrico trifásico de 0.75cv. Por baixo custo, contamos com a doação desta peça, a qual corresponde com um motor de capacidade semelhante utilizado em outros artigos já publicados publicado a Tabela 1 determina os parâmetros do motor utilizado. 13 Tabela 1 – Tabela de escolha do motor, ilustrando os parâmetros. Para controle da velocidade de rotação da esfera, foi utilizado inversor WEG CF08, com regulagem de velocidade pelo potenciômetro do próprio inversor sendo indicado no visor em Hertz. Para conversão da unidade de Hertz para RPM, pode-se utilizar a Tabela 2. Tabela 2 – Tabela conversão de Hertz para RPM do motor 4.1.2 Componente de atrito Os componentes do dispositivo foram dimensionados a partir do diâmetro da esfera, com referencia a estudos anteriores (Lozzr, 2007; Mello, 2006; Zeferino, 2007; Casteletti, 2010). Foi dotada a esfera diâmetro de 1`` aço AISI 52100, para o atrito com o corpo de prova. A esfera é fixada pelos eixos com sua face côncava no raio de 12,7mm, sendo um fixo e outro com rosca interna esquerda M10 x 1,5 para facilitar a substituição da esfera, quando feito o movimento de soltura dos eixos é feito apertado a esfera com a força de compressão, conforme ilustra a Figura 10. 14 Figura 10 – Esfera de contato 4.1.3 Mancais dianteiros Os mancais frontais foram usinados para a instalação de rolamento 2 carreiras de esfera fixa 4202 BTVH para uma maior precisão de alinhamento do componente de atrito (esfera 1``), 1``) e suportar a carga axial, em paralelo foi colocado rolamento 6202 2rs eliminando batimento. Salientando que foi tomado o cuidado de colocar um defletor para que o pó proveniente do teste não danifique o rolamento. A Figura 11 ilustra os mancais dianteiros. Figura 11 – Representa mancal dianteiro 4.1.4 Mancais traseiros Nos mancais traseiros, traseiros conforme ilustra a Figura 12, foram usados rolamentos 6200 2z, rolamento fixo de esfera, para menor atrito no eixo de 15 fixação do corpo de prova garantindo alinhamento e perpendicularidade entre a esfera e o corpo de prova. Figura 12 – Representa mancal traseiro 4.1.5 Contrapeso Para garantir que a carga aplicada no corpo de prova não variasse com sua massa, foi desenvolvido um contrapeso fixado por rosca no mesmo eixo do corpo de prova, conforme ilustra a Figura 13. Este contra peso pode ser regulado facilmente, afastando ou aproximando o do corpo de prova com precisão, a fim de deixar o sistema em equilíbrio, garantindo que a carga aplicada será efetiva. Para sabermos se o sistema esta em equilíbrio foi colocado um multímetro medindo a continuidade, quando o corpo de prova fica em equilíbrio temos a continuidade aberta. 16 Figura 13 – Representa o contrapeso. 4.1.6 Suporte do corpo de prova 4 ilustra o suporte s de fixação do corpo de prova, construído A Figura 14 em alumínio para aliviar o peso, fixando o corpo de prova com parafuso sextavado nas laterais. Figura 14 – Representa suporte de fixação do corpo de prova 17 5. Montagem do Dispositivo A Figura 15 apresenta o equipamento de ensaio de desgaste microabrasivo por esfera fixa, projetado e construído no âmbito desta Iniciação Científica. Todos os materiais usinados foram submetidos a um tratamento superficial de zinco amarelo, a fim de evitar oxidação dos componentes com o contato das mãos e ou oxidação natural. Figura 15 – Apresenta o dispositivo de ensaio de desgaste por esfera fixa projeta do e construído O dispositivo foi fabricado em material SAE 1020, material de baixo custo que atende a rigidez solicitada pelo dispositivo. Para o desenvolvimento do dispositivo, primeiramente foram analisados dispositivos já existentes na literatura. Assim poderíamos dimensionar as peças que iriam compor o dispositivo de forma mais eficaz. Com base no tamanho da esfera foi dimensionado os eixos de fixação e forma de fixar. Os rolamentos utilizados deveriam suportar a carga aplicada, a qual seria axial e tangencial. Para satisfazer esta aplicação foram usados dois rolamentos de esfera. A partir do tamanho dos rolamentos, foi feito o desenho dos mancais que os alojariam, sendo levado em conta a altura do motor que 18 iriam influenciar na altura da esfera em relação a base do dispositivo. Estando definidos os mancais dianteiros, foi feito desenho do mancal traseiros, ficando definido que estes receberiam pequenas cargas, apenas irão centralizar o corpo de prova a esfera. Assim, foi usado apenas um rolamento de fixo de esfera para diminuir o atrito entre o eixo e o mancal, e não influenciar o contato da esfera com o corpo de prova. Para dimensionar a distância entre os mancais, foi levado em consideração o tamanho do corpo de prova. O contra peso deveria ter o tamanho adequado ao dispositivo, e para tal dimensionamento recorremos ao recurso da física, equilíbrio de um corpo por alavanca. Tendo o peso aproximado do corpo de prova, foi dimensionado a distância e o tamanho do contra peso. Para garantir o equilíbrio foi instalado um multímetro medindo a continuidade de contato, quando é afastado o contra peso o sistema se coloca em equilíbrio o corpo de prova sofre um afastamento milesimal tirando o contato da esfera com o corpo de prova podendo ser ouvido por um apito sonoro emitido pelo multímetro. Pra ensaios de desgaste com utilização de abrasivo, será posicionado abaixo da esfera um suporte que permitirá que a esfera fique submersa na solução abrasiva, em que seu giro criará uma turbulência no mesmo, não deixando ocorrer decantação dos sólidos. Foi aproveitada a força de arrasto da esfera com a solução para aumento de atrito da esfera e o corpo de prova. No desenvolvimento do dispositivo foi levado em consideração a segurança e o controle de velocidade. Para segurança foi disposto uma proteção do sobre o acoplamento do motor ao eixo de giro da esfera. 19 6. Considerações finais Este projeto representou uma possibilidade prática versátil de estudo do comportamento de materiais tratados superficialmente, quando submetidos ao desgaste micro - abrasivo. Além disso, todo este trabalho colocou em prática vários conceitos vistos em sala de aula, como a elaboração de desenhos técnicos mecânicos, dimensionamento de componentes mecânicos e contato com o processo de usinagem de peças. Foi alavancada, também, uma constante pesquisa e estudo na área de desgaste microabrasivo em diferentes materiais, conceito, até então desconhecido, mas que, aos poucos, tornou-se familiar. Finalmente, algumas atividades nas quais exigem o contato com fornecedores foi inevitável, como os pedidos de orçamentos em diversos fabricantes de dispositivos elétricos e mecânicos, o que proporcionou uma troca de conhecimentos com especialistas e técnicos, que através de suas experiências profissionais, auxiliaram na escolha de material e usinagem dos componentes. 6.1 Corpo de prova Após montagem do dispositivo foi feito teste inicial para ajustes finais se necessário, o dispositivo apresentou a necessidade de fixação dos pesos sobre o corpo de prova onde, foi instalado uma porca para fixação. 20 Os primeiros resultados das calotas produzidas pelo teste no corpo de prova podem ser observados na Figura 16. O material do corpo do primeiro teste foi fabricado em alumínio. Figura 16 – Apresenta o corpo de prova com desgaste micro – abrasivo O formato da calota produzida no corpo de prova após a realização do ensaio de desgaste se deve à forma da esfera utilizada. A Figura 17 ilustra um esquema da calota produzida com o desenvolvimento do ensaio de uma esfera em contato com corpo de prova plano. Figura 17 – Representa calota formada pela esfera em um corpo de prova 21 7. Conclusões Para os materiais e condições de ensaio estabelecidas para este projeto de Iniciação Científica, o equipamento apresentou resultados satisfatório e reprodutibilidade com confiabilidade, visto o comportamento do desgaste em material de teste. O equipamento, de baixo custo, se mostrou bastante simples para sua utilização. Espera-se que, com a própria continuidade das pesquisas envolvendo o equipamento em questão, melhorias que se achar necessária pelo usuário sejam incrementadas no mesmo. O equipamento mostrou bom desempenho durante os experimentos. Obteve-se o Regime Permanente de Desgaste e o coeficiente de atrito tendeu a apresentar um comportamento constante com o tempo de ensaio. 22 8. Referências Bibliográficas Casteletti, L. C.; Fernandes, F. A. 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