Fabricação de Manilhas Mecânicas - Apostilas - Engenharia Mecanica, Notas de estudo de Engenharia Mecânica. Universidade Federal de Alagoas (UFAL)
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Bossa_nova4 de Março de 2013

Fabricação de Manilhas Mecânicas - Apostilas - Engenharia Mecanica, Notas de estudo de Engenharia Mecânica. Universidade Federal de Alagoas (UFAL)

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Apostilas de engenharia mecanica sobre o estudo da Fabricação de manilhas mecânicas por forjamento e soldagem a arco com proteção gasosa.
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Fabricação de manilhas mecânicas por forjamento e soldagem a arco com proteção gasosa (GMAW)

Resumo

O presente trabalho visa estudar o processo de fabricação de manilhas mecânicas, utilizando os processos de forjamento e soldagem a arco com proteção gasosa (GMAW), utilizando gás ativo (MAG). As manilhas mecânicas são utilizadas para movimentação ou fixação de cargas e são formadas por duas partes facilmente desmontáveis, consistindo em corpo e pino. São conformadas normalmente por forjamento. Faz-se, neste trabalho, a análise de viabilidade da utilização do processo de soldagem para realizar a união dos olhais coaxiais ao corpo da manilha.

Palavras-chave: Manilha mecânica; soldagem.

Abstract: This work aims to study the manufacturing process of mechanical shackles using the forging processes and Gas Metal Arch Welding (GMAW) using Metal Active Gas (MAG). The shackles are used for mechanical fixing or moving loads and are formed by two easily dismantled parts, consisting of body and pin. Typically are formed by forging. It is, in this work, the feasibility analysis of the use of the welding process to achieve the unity of the body of eyelets coaxial flange.

Key-words: Mechanic Shackle; Welding

1. Introdução

As manilhas mecânicas são amplamente utilizadas na indústria para transporte e fixação de cargas. O conjunto, denominado manilha mecânica, é composto por um pino e dois olhais coaxiais unidos a um corpo. A forma do corpo indica o tipo de manilha que pode ser denominada reta ou curva. Usualmente, o corpo e os olhais são conformados utilizando o processo de forjamento, assim como os pinos.

As manilhas mecânicas são normalmente submetidas a esforços de tração e cisalhamento, que variam de intensidade em função da parcela analisada da peça. Este estudo avalia o

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desempenho destas peças quando solicitadas por cargas compreendidas entre 0,63 a 32 toneladas.

Avalia-se neste trabalho a utilização da soldagem a arco com proteção gasosa (GMAW), para unir os olhais às duas extremidades do corpo da manilha mecânica, bem como os materiais a serem utilizados e as demais variáveis que envolvem este tipo de solda.

A soldagem MIG e MAG pode ser utilizada para materiais com uma faixa de espessura ampla e pode ser automatizado de maneira relativamente simples. O processo de soldagem GMAW também se destaca pela versatilidade em termos de posições de soldagem e sua produtividade elevada.

No processo de soldagem a arco com proteção gasosa (GMAW), a união de peças metálicas é produzida pelo aquecimento destas com um arco elétrico estabelecido entre um eletrodo metálico nu e a peça de trabalho [2]. A proteção do arco e da região da solda contra contaminação pela atmosfera é feita por um gás ou mistura de gases, que podem ser inertes ou ativos. Quando os gases de proteção são inertes, o processo é conhecido como MIG (Metal Inert Gas). Quando os gases de proteção são ativos, o processo é denominado MAG (Metal Active Gas). Um arco elétrico é formado, fundindo as peças a serem unidas e o arame eletrodo, que é transferido para a junta e constitui o metal de adição.

2. Materiais

2.1 – Corpo, olhais e pino

O aço que compõe o corpo, olhais e pino deve ser produzido por forno elétrico, ou de injeção de oxigênio, e possuir granulação fina [1]. Isto pode ser conseguido, assegurando-se que o aço contenha uma quantidade suficiente de alumínio ou um elemento equivalente, por exemplo, de maneira a permitir a fabricação de manilhas estabilizadas quanto ao envelhecimento induzido por deformação durante o serviço. O aço deve ser totalmente acalmado, adequado para forjamento e capaz de ser tratado termicamente para obter as propriedades mecânicas requeridas.

A carga mínima de ruptura para uma manilha reta com carga de trabalho igual a 32ton é estabelecida pela norma NBR 13545 (1999), e equivale a 3.200kN. As dimensões da peça são especificadas na norma, e o diâmetro da seção do corpo para esta carga de trabalho é igual a 70mm. Tendo em consideração um fator de correção igual a dois, conclui-se que o material deve possuir limite de resistência mínimo maior ou igual a 207MPa. Com base nos requisitos apresentados acima, escolheu-se utilizar o aço carbono SAE 1045 nas peças que compõem a manilha mecânica.

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O aço SAE 1045 é indicado para transmissão de média solicitação em parafusos, cabos, malas, arames e eixos para vagões, ferroviários. É um aço de médio teor de carbono que se presta muito bem para ser endurecido ou beneficiado por tratamento térmico. Pode ser tratado seletivamente por indução ou chama [6] . Devido a isso, encontra grande aplicação na fabricação de forjados, partes estruturais de máquinas e eixos em geral.

Tabela 1. Propriedades do aço SAE 1045

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2.2 – Consumíveis

2.2.1 – Arame eletrodo

A escolha do eletrodo deve ser feita levando em consideração, principalmente, o metal base, a resistência mecânica requerida, a corrente e tensão a ser utilizada, a espessura do material e a posição de soldagem [5]. Com base nas informações disponibilizadas pelo fabricante do metal base, escolheu-se a utilização do eletrodo AWS E 7018-1. Este eletrodo apresenta as propriedades mecânicas e de soldagem abaixo:

Tabela 2. Propriedades do eletrodo ESAB E 7018-1

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Verifica-se que as propriedades mecânicas e de soldagem atendem com uma margem de segurança considerável. O diâmetro do eletrodo escolhido para realização da soldagem do corpo, cuja seção possui diâmetro de 70mm será de 3,25mm.

2.2.2 – Gás de proteção

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A seleção do gás correto para sua aplicação é crítica para a qualidade final da solda. O critério de escolha utilizado leva em consideração o tipo de metal base a ser soldado, a espessura do material, a posição de soldagem, a aparência final da solda e o custo, dentre outros [4]. Na soldagem “MAG” é necessário um gás de proteção ativo, que reage na poça de solda durante a soldagem, e o gás utilizado é o CO2, principalmente pelo seu baixo custo. O CO2 é inerte à temperatura ambiente, mas nas temperaturas elevadas do arco elétrico de soldagem, ele se decompõe em CO e O, tornando-se ativo [2].

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Figura 1. Forma da zona fundida em função do gás utilizado [4]

2.2.3 – Líquido de proteção

O líquido antirrespingos deverá ser utilizado sobre o bocal e o bico de contato da tocha de soldagem. Ao utilizar o antirrespingo, eliminam-se paradas frequentes para limpeza, lubrifica-se e evita-se totalmente a aderência de respingos nos bocais e bicos de contato, melhorando consideravelmente o deslizamento do cordão de solda e aumentando a produção [9]. O antirrespingos selecionado para utilização foi o OP 2068 fabricado pela Pizzani, principalmente pelo seu baixo custo.

3. – Equipamentos

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Figura 2. Equipamentos utilizados na soldagem GMAW (MAG) [2]

3.1 – Fonte de energia

Na soldagem MIG/MAG, pode-se conseguir que a velocidade de consumo de eletrodo seja, em média, igual à velocidade de alimentação, de modo que o comprimento do arco permaneça relativamente constante [2]. Para isso, pode-se permitir que o equipamento controle a velocidade de alimentação, de modo a igualá-la à velocidade de fusão, ou manter a velocidade de consumo aproximadamente constante e, em média, igual à velocidade de alimentação.

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Neste estudo, opta-se pela utilização de uma fonte de energia do tipo corrente constante e um alimentador de arame com velocidade de alimentação variável, por apresentar melhores resultados para arames de maior espessura [2].

3.2 – Alimentador de arame

O alimentador de arame fará controle de alimentação pela comparação da tensão do arco, a cada instante, com um valor de referência, alterando a velocidade de alimentação de forma a compensar diferenças observadas entre a tensão instantânea no arco e a tensão de referência.

3.3 – Fonte de gás protetor

A fonte de gás poderá ser constituída por um único cilindro ou por uma instalação centralizada de armazenamento e distribuição de gás, dependendo do volume de peças a ser fabricado e da quantidade de máquinas utilizadas em paralelo.

4. Métodos

4.1 – Fabricação do corpo e olhais

4.1.1 - Processo de conformação

O corpo deve ser forjado em uma única peça sem solda. Primeiramente, os tarugos deverão passar por um forno contínuo para serem aquecidos e, posteriormente, forjados em uma prensa. Após o forjamento, as rebarbas do forjado devem ser retiradas, em uma operação de corte. Após o corte, a peça deverá ser tratada termicamente para obter-se uma microestrutura adequada [3]. O corpo da manilha acabada deve estar isento de defeitos superficiais nocivos, inclusive de trincas, dobras de forjamento e outros defeitos [1].

Após o forjamento, as manilhas devem ser temperadas e revenidas. A temperatura de revenido deve ser de pelo menos 400°C. As condições do revenimento devem ser pelo menos tão efetivas quanto uma temperatura de 400°C mantida por um período de 1 h. [1]

4.1.2 - Formatos e dimensões

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A forma e dimensões dos componentes da manilha são determinados pela Associação Brasileira de Normas Técnicas, NBR 13545:2009, de acordo com a carga de trabalho à que a peça estará sujeita. Para a carga de trabalho

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Figura 3. Dimensões da manilha reta [1]

4.2 – Fabricação do pino

4.2.1 - Processo de conformação

O pino deve ser forjado e usinado a partir de uma barra e devidamente acabado. A parte rosqueada do pino deve ser concêntrica com o restante do mesmo. A cabeça do pino deve ajustar-se ao corpo da manilha. Quando o pino é roscado, o comprimento da rosca que fica visível na abertura entre olhais não deve ser maior que um filete e meio. O comprimento da parte lisa do pino deve ser tal que, quando a porca for rosqueada, ela se prenda no pino e não no corpo da manilha. Em todos os casos, quando um pino é ajustado corretamente no corpo da manilha, a abertura, não deve ser significativamente reduzida [1]. O pino da manilha acabada deve estar isento de defeitos superficiais nocivos, inclusive de trincas, dobras de forjamento e outros defeitos.

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Figura 3. Dimensões do pino [1]

4.3 – Soldagem dos olhais ao corpo

4.3.1 – Aplicação do líquido antirrespingo

Inicialmente, deve-se aplicar o líquido antirrespingo, imergindo o 2/3 do bocal no produto selecionado, drenando-o por aproximadamente 30 segundos [9].

4.3.2 – Abertura do arco

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O arco deve ser aberto tocando o eletrodo na peça. Deve-se aproximar a tocha da peça e o gatilho acionado, dando início a alimentação de arame, gás e à operação da fonte[2].

4.3.3 – Operação da soldagem

Após a abertura do arco, aguarda-se a formação da poça de fusão e seu crescimento até um tamanho adequado, quando se inicia o movimento de translação ao longo da junta, com velocidade uniforme. Após o término da soldagem, deve-se soltar o gatilho, interrompendo a corrente de soldagem, a alimentação do arame e o fluxo de gás.

4.4 – Marcação

Cada manilha deve ser marcada de forma de maneira que não prejudique as propriedades mecânicas da manilha [1]. A marcação deve conter pelo menos as seguintes informações:

- Marca ou símbolo adotado para identificação do fabricante;

- Letra ou número correspondente ao grau, nos casos das manilhas graus T(8) ou 10;

- Carga de trabalho em toneladas;

- Código de rastreabilidade para possibilitar a identificação de qualquer manilha ou lote de manilhas na remessa (exigível para manilhas de diâmetros acima de 19 mm).

5. Resultados e Discussão

Por meio do estudo realizado, verificou-se que as manilhas mecânicas podem ser fabricadas com a utilização de processos de soldagem, como o GMAW. Foi demonstrado que é possível realizar a união dos olhais ao corpo da manilha de forma eficaz, sem comprometer a resistência à tração da peça.

Deve-se observar ainda que o processo de soldagem pode levar à formação de tensões residuais, decorrentes das mudanças de temperatura não uniforme, que ocorrem no processo de soldagem. Por causa do encolhimento de solidificação e da contração térmica após a soldagem, as soldas tendem a se distorcer.

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Sabe-se que concentradores de tensão tendem a reduzir a vida à fadiga, o que é chamado de efeito entalhe, e sabe-se também que as manilhas mecânicas estão sujeitas normalmente a cargas intermitentes, o que pode levar à falha por fadiga na união entre as peças.

6 . Conclusões

A fabricação de manilhas mecânicas normalmente é realizada utilizando somente o processo de forjamento. Neste caso, a manilha é composta por duas peças, sendo uma delas composta pelos olhais e o corpo, e a outra composta pelo pino. Neste processo de forjamento, são utilizadas prensas de tipos variados e moldes sobre os quais os componentes serão forjados. Após a operação de forjamento, a peça é submetida a um tratamento térmico e está pronta para utilização.

Para a utilização do processo de soldagem GMAW, seria necessário adquirir o maquinário específico para realização desta operação, como fonte de energia, controlador de alimentação de eletrodo, cabos, mangueiras, cilindros, eletrodos, além da qualificação de operadores.

Sendo assim, a utilização da soldagem não é se mostra economicamente viável, uma vez que não há redução dos custos e o tempo de fabricação da peça é aumentado. Além disso, a resistência à fadiga e a uniformidade das peças pode ser comprometida.

7. Agradecimentos

À todos os leitores deste artigo e à Universidade Federal de Minas Gerais.

8. Referências Bibliográficas

[1] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 13545: resumos. Rio de Janeiro, 1999. 3 p. 1996.

[2] VILLANI, M.; BRACARENSE; A.Q.; Soldagem: Fundamentos e tecnologia. 3ª; Belo Horizonte: Editora UFMG, 2009. P.233-254.

[3] http://pt.wikipedia.org/wiki/Forjamento#Forjas_de_pequeno_porte

[4] http://www.oxigenio.com/guia-do-processo-de-soldagem-mig-mag-ou- gmaw/tipos_de_gases_para_soldagem_mig_mag.htm

[5] http://www.oxigenio.com/guia-dos-eletrodos-revestidos/como-escolher-o-eletrodo-correto- fatores.htm

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[6] http://www.guiametal.com.br/uploads/pdf/acos.pdf

[7] http://www.spectru.com.br/Metalurgia/diversos/aco_carbono.pdf

[8] http://www.frato.com/arquivos_public/catalogo_parceiros/arq_55_14.pdf

[9] http://www.antirespingodesolda.com.br/op2068.htm

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