Baixe Processo de Fabricação de um Eixo de Transmissão e outras Teses (TCC) em PDF para Engenharia de Processos, somente na Docsity! UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA - CAMPUS JOINVILLE CENTRO TECNOLÓGICO DE JOINVILLE INTRODUÇÃO À ENGENHARIA AUTOMOTIVA – 2023/2 PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE UM EIXO DE TRANSMISSÃO POR FORJAMENTO Esther D. dos Reis, Letícia Luiza Cardoso, Lucas T. de Carvalho* Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico de Joinville, Departamento de Engenharias da Mobilidade, Joinville, SC, Brasil. *lu.turcatto.02@gmail.com RESUMO O texto enfoca a vitalidade do projeto e fabricação de eixos de transmissão de potência na Engenharia, concentrando-se em um eixo intermediário para caixa de transmissão de dupla redução. Destaca-se a relevância desse componente em várias aplicações industriais, enfatizando a necessidade de projetos eficazes que atendam a critérios de resistência, rigidez e durabilidade. O processo de fabricação, destacando o forjamento a quente com matriz fechada, é escolhido pela capacidade de produzir peças de alta qualidade a custo acessível. A escolha do aço SAE 1050 é justificada por suas propriedades mecânicas e resistência ao desgaste. Fundamentos do projeto, como análise de falha por fadiga, especificações e requisitos, são abordados, enfatizando a importância de tratamentos térmicos, como têmpera e revenimento, para aprimorar as propriedades do material. Em resumo, o texto abrange de maneira abrangente o processo de concepção, projeto e fabricação deste componente crítico. Palavras-chave: Eixo de transmissão; Aço SAE 1050; Forjamento; Têmpera; Revenimento. INTRODUÇÃO Na ampla área da Engenharia Mecânica, uma variedade de componentes é projetada para atender a diversas aplicações no campo do projeto de elementos de máquinas. Um exemplo notável é a ubiquidade do eixo, pois ele desempenha um papel fundamental em quase todas as aplicações mecânicas, abrangendo desde a indústria automotiva até os setores naval, aeroespacial, ferroviário e inúmeras outras microáreas especializadas. Além disso, de acordo com Collins et al. (2003, p, 1), uma das funções profissionais mais importantes dos engenheiros mecânicos é o projeto mecânico, ou seja, a criação de novos componentes ou a melhoria de dispositivos existentes na tentativa de fornecer o design "melhor" ou "ótimo", consistente com as restrições de tempo, dinheiro e segurança, conforme ditadas pela aplicação e pelo mercado. Diante disso, a disciplina de Processo de Fabricação tem por objetivo relacionar as demandas do dimensionamento de um eixo de transmissão de potência com as etapas de obtenção de um produto final desejado para uma aplicação específica. Nesse viés, Collins et al. (2003, p. 334) também afirma que fatores como “a forma e o tamanho do estoque disponível ou da matéria-prima bruta em peças com tamanhos, formas e acabamentos especificados pelo projetista é o objetivo de qualquer processo de fabricação". Ele apresenta que a seleção do melhor processo pode depender de um ou mais dos seguintes fatores: tipo, forma e propriedades da matéria-prima; propriedades desejadas da peça acabada, incluindo resistência, rigidez, ductilidade e tenacidade; tamanho, forma e complexidade da peça acabada; tolerâncias necessárias e acabamentos de superfície especificados; número de peças a serem produzidas; disponibilidade e custo do equipamento capital necessário; custo e prazo de entrega para ferramentas necessárias;custo de retrabalho; requisitos de tempo e energia para o processo como um todo e segurança do trabalhador e o impacto ambiental. Neste trabalho, temos o objetivo de apresentar diferentes processos de fabricação para produzir um eixo de transmissão de potência amplamente usado na engenharia mecânica, como é o caso de um eixo intermediário usado em uma caixa de transmissão de dupla redução. Assim, para realizar o projeto adequado desses eixos, seguimos as diretrizes de duas importantes referências na área de projeto de elementos de máquinas. A primeira delas é o livro "Elementos de Máquinas de Shigley", escrito por Richard G. Budynas e J. K. Nisbett. A segunda referência que será utilizada é o livro "Machine Elements in Mechanical Design", de autoria de Robert L. Mott (et al.). DESCRIÇÃO DO COMPONENTE De acordo com Norton (2014, p. 549), eixos de transmissão são utilizados em praticamente todas as máquinas rotativas para a transmissão de movimento de rotação e torque de uma posição a outra. A fonte de entrada de uma máquina rotativa, geralmente um motor elétrico ou motor de combustão interna, normalmente fornece potência na forma de torque de acionamento rotativo para o eixo de entrada da máquina em consideração, por meio de algum tipo de acoplamento. Na disposição axial de um eixo também incluem engrenagens, polias ou catracas, que transmitem o movimento rotativo via engrenagens, correias ou correntes de eixo a eixo. Dessa maneira, um eixo deve ser projetado de forma a suportar a duas cargas cíclicas predominantes: torção devido ao torque transmitido ou flexão devido às cargas transversais em engrenagens, polias e catracas. Assim, pretende-se introduzir a descrição do componente de análise a partir do processo do projeto de um eixo utilizado em bibliografias especializadas. Após isso, serão apresentadas a geometria do eixo de análise, as solicitações mecânicas em serviço e aspectos do projeto estrutural. E, finalmente, serão abordados os fundamentos do material e de seu processo de fabricação. Conforme descrito por Mott et al. (2018, p. 511), existem certos passos e procedimentos que podem ser aplicados no projeto de um eixo de transmissão de potência, que estão relacionados à Análise de Modo e Efeito de Falha (FMEA, do inglês "Failure Mode and Effect Analysis"), os quais são citados a seguir: 1. Determinar a velocidade de rotação do eixo; 2. Determinar a potência ou o torque a ser transmitido pelo eixo; 3. Determinar o projeto dos componentes de transmissão de potência ou outros dispositivos que serão montados no eixo e especifique a localização necessária de cada dispositivo; 4. Especificar a localização dos rolamentos para suportar o eixo; 5. Propor a forma geral da geometria do eixo; 6. Determinar a magnitude do torque aplicado ao eixo em todos os pontos; 7. Determine as forças que são exercidas no eixo, tanto radialmente quanto axialmente; 8. Resolver as forças radiais em componentes em direções perpendiculares (na vertical e horizontal); 9. Resolver as reações em todos os rolamentos de suporte em cada plano; Os requisitos do projeto são listados a seguir: 1. Potência a ser fornecida: 15 kW (~20 cv); 2. Velocidade de entrada: 1740 rpm; 3. Velocidade de saída: 85 rpm; 4. Destinado a aplicações de carga uniforme, como geradores de energia elétrica; 5. Montagem na base com 4 parafusos; 6. Operação contínua, vida útil de 6 anos, com 8 horas por dia, 5 dias por semana; 7. Baixa necessidade de manutenção; 8. Custo competitivo; 9. Condições de operação nominais em locais industrializados; 10. Eixos de entrada e saída de tamanho padrão para acoplamentos típicos. E as especificações do projeto são listadas a seguir: 1. Eixos de entrada e saída se estendem 101,6 mm para fora da caixa de engrenagens; 2. Eficiência da transmissão: > 95%; 3. Tolerância do diâmetro dos eixos de entrada e de saída: ±0,025 mm; 4. Eixos de entrada e saída alinhados: concentricidade 0,125 mms, alinhamento ±0.001 rad; 5. Cargas máximas permitidas no eixo de entrada: axial: 222,41 N; transversal: 444,82 N; 6. Cargas máximas permitidas no eixo de saída: 222,41 N; transversal: 2241,1 N; 7. Tamanho máximo da caixa de engrenagens: 550 mm x 350 mm x 350 mm; 8. Eixos de entrada e saída estendem-se por 102 mm para fora da caixa de engrenagens; 9. Ciclo de operação de 100%; 10. Custo de fabricação por unidade: < R$ 1600,00; 11. Produção: 10.000 unidades por ano; 12. Faixa de temperatura de operação: -23°C a 65°C; 13. Vedado contra água e poeira típicas de condições climáticas; 14. Ruído: < 85 dB a 1 metro. Após a introdução dos requisitos e especificações para o projeto do eixo de transmissão intermediário em uma caixa de transmissão redutora, as Figuras 1 e 2 apresentam a geometria do eixo em questão. As dimensões detalhadas serão fornecidas posteriormente. A geometria deste eixo foi obtida seguindo o processo de projeto de eixos de transmissão, conforme descrito por Budynas e Nisbett (2011, p. 388). As forças atuantes no eixo estão especificadas na Tabela 1 (forças tangenciais e radiais nas engrenagens 2, 3, 4 e 5, e forças de reação nos mancais A e B), e as dimensões do eixo foram definidas de acordo com a Tabela 2, seguindo o modelo proposto por Mott et al. (2018, p. 533). É importante mencionar que as especificações relativas a engrenagens e rolamentos foram excluídas, uma vez que estão fora do escopo deste trabalho. Portanto, apenas o esquemático recomendado pelas fontes bibliográficas é apresentado. Com as Figuras 3 e 4, ilustra-se os diagramas de torque, força cortante e momento fletor total das seções, e, com a Figura 5, as dimensões do eixo ilustram-se em seu desenho técnico. Figuras 1 e 2 – Geometria do eixo de análise Fonte: Elaborado pelos autores. Figura 3 – Diagrama de corpo livre é apresentado do eixo Fonte: Adaptado de Budynas e Nisbett (2011) Figura 4 – Diagramas de torques, força cortante e momentos totais atuantes no eixo Fonte: Adaptado de Budynas e Nisbett (2011) Tabela 1 – Dados das forças atuantes sobre o eixo Fonte: Budynas e Nisbett (2011) Descrição Intensidade da força Força tangencial engrenagens 2, 3 𝑊23𝑡 = 2400 𝑁 Força radial engrenagens 2, 3 𝑊23𝑟 = − 870 𝑁 Força tangencial engrenagens 5, 4 𝑊54𝑡 = − 10800 𝑁 Força radial engrenagens 5, 4 𝑊54𝑟 = − 3900 𝑁 Forças de reação mancal A 𝑅𝐴𝑧 = 422 𝑁𝑅𝐴𝑦 = 1439 𝑁 Forças de reação mancal B 𝑅𝐵𝑧 = 8822 𝑁𝑅𝐵𝑦 = 3331 𝑁 FUNDAMENTOS DO MATERIAL A seleção do material para um eixo de transmissão de potência é uma etapa crucial no processo de projeto, pois influenciará diretamente o desempenho, a durabilidade e a confiabilidade do sistema mecânico. Para fundamentar a escolha do material para o eixo de transmissão de potência, várias referências e diretrizes importantes na área de projeto de elementos de máquinas foram consultadas. De acordo com Collins et al. (2003, p. 344), as instruções de seleção de materiais indicam que os materiais candidatos para eixos de transmissão de potência devem possuir características como boa resistência, especialmente à fadiga, alta rigidez, custo acessível e, em algumas situações, resistência ao desgaste. Os materiais de aço atendem bem a esses critérios, pois oferecem a combinação necessária de resistência, rigidez e custo. Além disso, a utilização de ligas de cementação ou têmpera pode melhorar a resistência ao desgaste, tornando o aço uma escolha ainda mais adequada. A maioria dos eixos de transmissão de potência é fabricada a partir de aço de baixo ou médio teor de carbono, seja por laminação a quente ou trefilação a frio. Materiais como AISI 1010, 1018, 1020 ou 1035 são opções comuns para aplicações de eixo. Se for necessário um nível mais elevado de resistência, aços de baixa liga como AISI 4140, 4340 ou 8640 podem ser escolhidos, e tratamentos térmicos adequados podem ser aplicados para alcançar as propriedades desejadas. Em casos de eixos forjados, como no caso de virabrequins automotivos, aços como 1040, 1045 ou 1050 são frequentemente selecionados. Se for necessário aumentar a resistência ao desgaste por meio de cementação de superfícies específicas, aços carbonizados, como 1020, 4320 ou 8620, são apropriados. Norton (2014, p. 553) destaca que, para minimizar as deflexões, o aço é a escolha lógica de material para eixos, devido ao seu elevado módulo de elasticidade. No entanto, em algumas situações, como quando as engrenagens e outras junções são integralmente fundidas com o eixo, ferro fundido ou ferro nodular também são usados. Em ambientes marítimos ou corrosivos, o bronze ou o aço inoxidável podem ser preferíveis. A dureza pode ser relevante em locais onde o eixo se apoia em mancais, e nesses casos, aços endurecidos total ou parcialmente podem ser a melhor escolha. Além disso, Mott et al. (2018, p. 598) afirma que para a aplicação utilizada, pode-se propor um “aço médio-liga com teor de carbono entre 0,30% e 0,60%, nas condições de trefilação a frio ou têmpera a óleo e revenido”. Ele também propõe que uma boa usinabilidade “é obtida a partir de um aço com teor moderadamente alto de enxofre, uma característica da série 1100. Onde também se deseja boa endurecibilidade, utiliza-se um teor mais elevado de manganês." Portanto, a escolha do material para o eixo de transmissão de potência deve ser baseada em considerações como resistência, rigidez, custo, resistência ao desgaste, ambiente de operação e processos de fabricação disponíveis. A literatura consultada, incluindo as obras de Collins, Mott, e Norton, fornece diretrizes sólidas para auxiliar na tomada de decisão sobre o material mais apropriado para atender aos requisitos específicos do projeto. Após muita pesquisa, chegou-se à comparação de três tipos de aços, sendo eles: 1040, 1050 e 4140. E para a escolha de qual usar, foi realizada uma pesquisa mais aprofundada sobre eles em relação a composição química, com os dados na Tabela 2 a seguir: Tabela 2 – Composição Química (%) Fonte: Elaborado pelos autores. Com base na pesquisa realizada, observou-se que o aço 1040 e 1050 tem boa resistência mecânica, boa usinabilidade, baixa soldabilidade e adquire boa têmpera. O aço 4140 possui uma temperabilidade média, pois o manganês em sua liga tende a aumentar a temperabilidade e serve como desoxidante. Em relação às propriedades mecânicas dos aços analisados, foi utilizada para melhor visualização a Tabela 3 a seguir. Tabela 3 – Propriedades Mecânicas Fonte: Elaborado pelos autores. Ao analisar as possibilidades dos aços a serem utilizados, optou-se pelo aço 1050, um aço de médio teor de carbono que possui boas propriedades mecânicas, que é comumente utilizado na fabricação de componentes que necessitam uma resistência mecânica superior do que a dos aços convencionais de baixo carbono. Além disso, pesquisou-se que, de acordo com Correa et al. (2022, p. 5), a espectrometria do aço SAE 1050 fabricado pela empresa Gerdau possui pequenas quantidades de Cromo (0,17%p Cr), Silício (0,21%p Si) e Níquel (0,10%p Ni). Assim, justifica-se a utilização dessas porcentagens de composição química do aço escolhido localizado. Após a escolha do material é necessário realizar a escolha do processo que encontra-se no tópico a seguir. FUNDAMENTOS DO PROCESSO: FORJAMENTO O processo de fabricação consiste em construir peças, com dimensões, formatos, materiais e acabamentos analisados e escolhidos que melhor atendem às especificações do projeto. No processo de fabricação por conformação mecânica, as peças alcançam o formato de projeto através dos esforços mecânicos, como: tração, compressão e flexão, e alguns dos processos mais utilizados são: laminação, extrusão, trefilação, estampagem e forjamento. E nestes processos, o metal sólido sofre vários esforços, em processos a quente e a frio. Existem as laminações a frio e a quente, na laminação a quente o material é submetido a um processo de conformação que acontece em altas temperaturas (geralmente, acima de 1.000°C). Já na laminação a frio, este processo de conformação acontece à temperatura ambiente ou próxima a ela, permitindo a recristalização do material, por isso, os aços laminados a frio são mais resistentes, duros e menos dúcteis que os aços laminados a quente. Há o processo de forjamento, que consiste em transformar o metal através de forças de compressão, moldando-o por meio de martelagem, prensagem ou laminação, deformando-o plasticamente, deixando o material com uma maior resistência à fadiga e ao impacto. Para a realização deste processo, é necessário aquecer o material até sua temperatura de forjamento, e depois moldá-lo aplicando pressão. Como o material estará dúctil e maleável, será mais fácil de moldá-lo sem gerar trincas e rachaduras. E as forças de compressão são dadas pela Figura 6. Figura 6 – Forjamento Fonte: Aços Nobre (2022) Já o gráfico Resistência x Tração, abaixo, mostra a relação entre a tração e a resistência de aços forjados de acordo com o processo de fabricação e acabamento utilizado nele. Temos o forjado (as-forged), onde as peças "as-forged" não passam por outros processos de acabamento, mantendo a superfície áspera e a forma básica resultante do forjamento. A laminação a quente (Hot-rolled) resultando em uma superfície mais áspera e dimensionamento impreciso em comparação com processos como a usinagem. O usinado (machined) ou trefilação Segundo Chiaverini (2002, p. 95), a têmpera consiste no resfriamento rápido do aço a partir de uma temperatura superior à sua temperatura crítica, aproximadamente 50°C acima da linha A para os hipereutetóides. Esse resfriamento ocorre em meios como óleo, água, salmoura ou até mesmo ar. A figura 8 esquematiza a operação de têmpera. O principal objetivo desse processo é obter a estrutura martensítica, sendo crucial garantir que a curva de resfriamento siga à esquerda do cotovelo da curva em "C". Dessa maneira, busca-se evitar a transformação da austenita, conforme explanado pelo autor. O gráfico a seguir exemplifica o que foi dito. Gráfico 4 – Diagrama esquemático de transformação para têmpera e revenido Fonte: Chiaverini (2002) Para chegar a porcentagem de martensita escolhida, o aço deve ter ser levado a sua temperatura de austenitização (entre 802°C a 843°C), e depois ser resfriado bruscamente a 100°C em 0,5 segundos, formando assim um aço 1050 com 99% de Martensita e 1% de Austenita Retida. A formação da martensita é uma estrutura monofásica fora do equilíbrio, sendo chamada de transformação sem difusão. A transformação martensítica ocorre quando a taxa de têmpera é tão rápida que evita a difusão do carbono. Portanto, a martensita é uma solução sólida supersaturada de carbono, causando uma contração ao longo dos eixos cristalográficos (distorção de Bain), por isso, a martensita apresenta uma maior dureza, quando comparada a aços com porcentagem de perlita e bainita. Em aços com até 1% de carbono, a martensita apresenta-se em forma de ripas (Lath), como mostra a foto apresentada no Anexo A. Para a estrutura cristalina formada por aproximadamente 99% de martensita, a dureza especificada é de aproximadamente 62 HRC, sendo muito alta para a aplicação, pois é suscetível a trincas e fraturas por fadiga. Além disso, essa dureza impossibilita a posterior retífica do material. O Gráfico 5 representa o nível de dureza em relação à estrutura martensítica formada pela têmpera do material escolhido. Desse modo, após a têmpera do material de 802ºC a 843ºC e o seguinte banho em água com sal (salmoura), realiza-se o revenimento da peça escolhida, de modo a reduzir a dureza e eliminar as tensões residuais causadas pela têmpera. Gráfico 5 – Efeito do teor de carbono sobre a dureza da martens Fonte: Chiaverini (2002) Para atender aos requisitos do projeto (32 HRC), escolheu-se uma temperatura de revenimento aproximadamente igual a 590ºC. O aquecimento do eixo, por ser uma peça relativamente pequena, pode ser utilizado pelo forno de auto indução por 60 segundos, gerando rapidez ao processo. Desse modo, finaliza-se a definição dos tratamentos térmicos utilizados para o projeto. Figura 10 – A dureza em função da temperatura e tempo de forno do aço SAE 1050 Fonte: Practical Heat Treatment (2010) CONSIDERAÇÕES FINAIS Com base no conteúdo e análise aprofundados para a construção deste trabalho, pode-se concluir que apesar dos diversos processos de fabricação citados, cada processo tem uma especificidade, sendo optado de acordo com o projeto, visando as propriedades necessárias para determinada situação. No caso do eixo de transmissão, a preferência pelo forjamento revela-se como uma escolha estratégica, devido à sua capacidade de produzir componentes de alta qualidade, associada a um custo acessível. A resistência e peso adequados conferem ao forjamento vantagens cruciais, alinhando-se de maneira precisa às exigências do eixo escolhido. O material escolhido desempenha um papel crucial no sucesso do processo de forjamento, sendo assim, a escolha do aço SAE 1050 é justificada não apenas por suas propriedades mecânicas, mas, também, porque o material tem a capacidade de deformação necessária para que não se rompa com a quantidade de força aplicada, assegurando a integridade estrutural do eixo. Devido o forjamento ser realizado com a matriz fechada, neste caso, não houve a necessidade do processo de usinagem para a peça determinada, gerando ao final das etapas um produto finalizado de maneira eficiente. Portanto, este estudo não apenas destaca a importância de considerações técnicas detalhadas no projeto de elementos mecânicos, mas também entre o processo de fabricação escolhido, o material selecionado e as características específicas do componente.