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UNIVERSIDADE FEDERAL DO VALE DO SÃO FRANCISCO
COLEGIADO DE ENGENHARIA MECÂNICA
TECNOLOGIA MECÂNICA
PROFESSOR: ERLON RABELO CORDEIRO
ELEMENTOS DE MÁQUINAS: ROSCAS, PINOS, REBITES E MOLAS
OBJETIVOS
- Caracterizar os perfis roscados de acordo com seu formato, função e padrão normalizado;
- Conhecer as técnicas básicas para conserto em corpos roscados danificados;
- Entender as funções e tipos de parafusos e porcas mais utilizados na sociedade, bem como algumas normas que os regulamentam;
- Saber as funções e tipos de pinos e rebites em uniões de peças e conjuntos;
- Conhecer os processos de rebitagem mais comuns;
- Compreender as funções desempenhadas pelos diversos tipos de molas e saber quais as recomendações a seguir para uma utilização durável e satisfatória desses elementos. 1. Roscas, Parafusos e Porcas: 1.1 – Introdução : As “porcas e parafusos” presentes em um projeto podem parecer um de seus aspectos menos interessantes, mas são, na verdade, um dos mais fascinantes. O sucesso ou falha de um projeto pode depender da seleção apropriada e uso de uniões. O Boeing 747 utiliza aproximadamente 2,5 milhões de juntas, algumas das quais custam muitos dólares. Há uma imensa variedade de fixadores disponíveis comercialmente, desde os pares parafuso- porca comuns até dispositivos múltiplos para rápida liberação de painéis ou para aplicações envolvendo junções escondidas, como mostra a figura a seguir.
Os parafusos são usados tanto para manter elementos unidos, como no caso de parafusos de fixação, quanto para mover cargas, como no caso dos chamados parafusos de potência, ou parafusos de avanço. Parafusos utilizados para fixação podem ser arranjados para resistir a cargas de tração, de cisalhamento, ou ambas. 1.2 – Formas padronizadas de rosca: O elemento comum entre os vários fixadores é a rosca. Rosca é uma saliência de perfil constante, que se desenvolve de forma uniforme, externa ou internamente, ao redor de uma superfície cilíndrica ou cônica. Essa saliência é denominada filete: As formas de roscas originalmente eram diferentes para cada um dos principais países fabricantes, porém, após a Segunda Guerra Mundial, foram padronizadas na Inglaterra, no Canadá e nos Estados Unidos no que hoje se conhece como série Unified National Standard (UNS): O padrão europeu é definido pela ISO e tem essencialmente a mesma forma de seção transversal de rosca, usando, porém, dimensões métricas e, portanto, não é intercambiável com as roscas UNS. Ambos os sistemas, contudo, são utilizados corriqueiramente nos EUA. Ambos utilizam ainda um ângulo de 60^0 e definem o tamanho de rosca pelo diâmetro nominal externo (máximo) d da rosca externa. Quando há um cilindro que gira uniformemente no sentido longitudinal, em cada volta completa do cilindro, o avanço (distância percorrida pelo ponto) chama-se passo p e o percurso descrito no cilindro por esse ponto denomina-se hélice. O passo da rosca p se relaciona com a hélice através da relação: p = d * π * tang α onde d é o diâmetro nominal externo do cilindro que gera a rosca e α é o ângulo da hélice.
residências, etc. A classe 2 define tolerâncias mais estreitas para uma melhor qualidade de encaixe entre as roscas pares e é adequada para uso geral em projeto de máquinas. A classe 3 é a de maior precisão e pode ser especificada quando ajustes mais precisos são requeridos. O custo aumenta com classes de ajustes mais altas. Uma letra de designação diferencia roscas A (externas) e B (internas). Uma rosca é especificada a partir de um código que define a sua série, diâmetro, passo e classe de ajuste. O passo de rosca UNS é definido reciprocamente com número de roscas por polegada, enquanto na rosca métrica (ISO), o passo de rosca é especificado pela dimensão do passo em mm. Um exemplo de uma especificação de rosca UNS seria: ¼ - 20 UNC – 2A, que define rosca externa de diâmetro 0,250 in com 20 filetes por polegada, série grossa, classe 2 de ajuste. Um exemplo de especificação de rosca métrica seria: M8 x 1,25, que define uma rosca ISO comum de 8 mm de diâmetro por 1,25 mm de passo de hélice. Todas as roscas-padrão são de mão direita (RH) por padrão, a menos que haja especificação em contrário por adição de letras LH à especificação. Uma porca de rosca esquerda frequentemente possui uma fenda cortada ao redor do hexágono exterior para identificação como porca de mão esquerda (LH). Uma rosca direita afastará a porca (ou parafuso) de você quando um ou outro componente for girado na direção dos ponteiros do relógio. Abaixo segue exemplo de rosca direita e esquerda. Tabelas padronizadas especificam as principais dimensões de roscas UNS e ISO. Roscas UNS de diâmetro inferior a 0,25 in são designadas por um número de referência. Um algoritmo útil para determinar o diâmetro de roscas numeradas consiste em multiplicar esse número de referência por 13 e então adicionar 60. Esse resultado é assim o seu diâmetro maior, aproximadamente, em milésimos de polegada. O diâmetro menor = diâmetro maior – passo. Outra classificação de rosca triangular é a Rosca Whitworth. As fórmulas para confecção das roscas Whitworth normal e fina são as mesmas utilizadas para o sistema métrico, variando ape- nas os números de filetes por polegada. A seguir observa-se a tabela com informações sobre esse tipo de rosca:
Há também a rosca Edison, que é normalmente usada em bases de lâmpadas e fusíveis roscáveis, bem como nas peças fêmeas roscadas dos correspondentes porta-lâmpadas e porta-fusíveis. As roscas Edison são designadas pela letra E maiúscula, seguida de um número que indica aproximadamente seu diâmetro em milímetros. 1.3 – Danos típicos em roscas: As roscas apresentam, normalmente, dois danos típicos: quebra do parafuso por cisalhamento do corpo ou da cabeça e rosca interna avariada (espanada). Quebra do parafuso por cisalhamento: nesse caso, para extrair a parte restante, improvisa-se um alongamento para a chave fixa, ou então usa-se um extrator apropriado para os casos em que a seção da quebra esteja situada no mesmo plano da superfície da peça: O extrator é constituído de aço-liga especial e possui uma rosca dente-de-serra, múltipla, cônica e à esquerda. No comércio, o extrator é encontrado em jogos, cobrindo os mais variados diâmetros de parafusos.
1.4 – Parafusos: Os parafusos são formados por um corpo cilíndrico roscado, que pode ter vários formatos e suas dimensões normalizadas. Por exemplo: parafuso cabeça sextavada DIN 931: Os parafusos são utilizados tanto para manter coisas unidas, como no caso de parafusos de fixação, quanto para mover cargas, como no caso dos chamados parafusos de potência, ou parafusos de avanço. A força de aperto na união roscada resulta da tensão do parafuso ao ser apertado. A tensão produzida tem de ser superior às forças opostas a ela durante o funcionamento. A tensão resultante chama-se tensão inicial. A forma de se ter um aperto adequado é manter a deformação dentro da zona elástica, ou do limite de elasticidade, do material do parafuso. Para evitar apertos inadequados devem-se usar ferramentas indicadoras de aperto e seguir as especificações do fabricante da máquina ou equipamento. A seguir, têm-se alguns tipos de torquímetros: Na falta dos dados acima, é correto proceder das seguintes formas: na reutilização de um parafuso, examiná-lo quanto a trincas, planeza, estado da rosca e esquadro entre corpo e
cabeça; não recuperar parafusos ou mesmo porcas danificadas; limpar e examinar os alojamentos dos parafusos; repassar a rosca com macho condizente para eliminar rebarbas e impurezas; encostar todos os parafusos antes de apertar o primeiro; apertar os parafusos evitando deformações e desalinhamento, através da seqüência adequada de aperto. Em geral, o parafuso de cabeça sextavada é utilizado em uniões em que se necessita de um forte aperto da chave de boca ou estria. Esse parafuso pode ser usado com ou sem rosca. Os parafusos de potência são utilizados para converter movimento rotacional em movimentos linear em atuadores, máquinas de produção e macacos, entre várias outras aplicações. Eles são capazes de produzir grande vantagem mecânica e, portanto, podem levantar e mover grandes cargas. Nesses casos, uma rosca muito forte é necessária. Embora as formas padrão descritas acima sejam adequadas para uso em fixadores, elas podem não ser fortes o suficiente para todas as aplicações relacionadas ao uso de parafusos de potência. Outros perfis de rosca foram padronizados para essas aplicações, como mostrados na figura a seguir: a) Rosca quadrada : provê máxima eficiência e rigidez e também elimina qualquer componente de força radial entre parafuso e a porca. Uma rosca quadrada modificada construída com um ângulo de 10^0 melhora a fabricabilidade deste tipo de rosca; b) Rosca Acme : possui um ângulo de 29^0 o que a torna mais fácil de fabricar e também permite o uso de uma porca partida, que pode ser apertada radialmente contra o parafuso para consumir qualquer desgaste existente. A rosca Acme é uma escolha comum para parafusos de potência que devem carregar cargas em ambas as direções; c) Rosca de botaréu : se a carga axial na rosca for unidimensional, esse tipo de rosca pode ser utilizado para obter maior resistência na raiz que a presente nas outras roscas mostradas; Através das figuras a seguir, são mostradas aplicações dos parafusos de potência:
A forma da rosca é moldada para encaixar as esferas e é usualmente endurecida e retificada para ter uma vida longa. Possuem ainda uma capacidade de carga bastante alta, em geral maior que aquela de um parafuso convencional de mesmo diâmetro, e não padecem das condições de aderência-escorregamento características de juntas deslizantes. Aplicações do parafuso de esferas: controle de superfície, atuadores de trem de pouso em aviões, controladores de máquinas ferramentas CNC e mecanismos de direção de carros. Variações nas formas padrão de roscas ocorrem em certas variedades de parafusos, especialmente aqueles utilizados em aplicações envolvendo parafusos auto-atarrachantes. Parafusos de fixação podem ser classificados de diferentes maneiras: por meio do uso pretendido, pelo tipo de rosca, pelo tipo de cabeça e por sua resistência. Parafusos de fixação de todos os tipos estão disponíveis em grande variedade de materiais, incluindo aço, aço inoxidável, alumínio, latão, bronze e plásticos. Parafusos de fixação classificados quanto o uso pretendido :
a) Parafusos e parafusos de máquinas – um parafuso de porca é um fixador com uma
cabeça e um corpo reto, com filetes de rosca cujo uso prevê a utilização de uma porca para sujeitar e manter as partes de um conjunto juntas. O mesmo parafuso pode ser chamado de parafuso de máquina ou parafuso de cabeça quando é rosqueado a um furo em vez de ser engajado a uma porca;
b) Prisioneiros – é um parafuso sem cabeça, com roscas em ambas as extremidades e
que se pretende utilizar de maneira semipermanente como metade de uma junta. Um furo na região de engajamento desce então para a parte que se estende passado o prisioneiro e é mantido por meio de uma porca. Cada extremidade do prisioneiro pode tanto ter um passo igual quanto diferente. A extremidade permanente possui algumas vezes uma rosca de alta classe ajustada para agarrar-se ao furo rosqueado e resistir ao afrouxamento quando a porca é removida da metade superior. A seguir têm-se exemplos desse tipo de parafuso. Parafusos de pressão – esses parafusos são fixados por meio de pressão. A pressão é exercida pelas pontas dos parafusos contra a peça a ser fixada. Os parafusos de pressão podem apresentar cabeça ou não.
Quando o parafuso está sujeito a forças de serviço severas, como na pressão de vapor, gases ou líquidos, a união é feita através de parafusos com haste (ou colo) de dilatação. Esse elementos absorve muito bem as forças pulsatórias devido a distribuição da tensão por toda haste, por isso é bastante usado em motores de combustão.
- Parafusos de fixação classificados por tipo de rosca : a) Parafusos de atarrachar – todos os fixadores que fazem o próprio furo, abrindo caminho, ou fazem as próprias roscas, são chamados de parafusos atarrachantes, como é o caso dos auto-atarrachantes, conformadores de rosca, cortadores de rosca e autofurantes: As roscas de parafusos atarrachantes são mais espaçadas apesar de serem similares às muitas formas padronizadas, isso para que sejam utilizadas com lâminas metálicas ou plástico, no intuito de prover espaço para que o material deslocado tenha um lugar para ir à medida que o parafuso força seu caminho além do pequeno furo piloto de começo onde vai se formando a rosca. Parafusos cortadores de rosca têm uma forma de rosca padrão, mas possuem ranhuras axiais de alívio e são endurecidas para prover uma face de corte para atarrachar a parte enquanto o parafuso avança. Os parafusos autofurantes possuem uma forma de broca de furação na sua ponta para fazer o furo piloto. Eles também formam roscas à medida que eles avançam; b) Parafusos com rosca soberba para madeira – são vários os tipos de parafusos para madeira. Esse tipo de parafuso também é utilizado com auxílio de buchas plásticas. O conjunto, parafuso-bucha é aplicado na fixação de elementos em bases de alvenaria. São fabricados em aço e tratados superficialmente para evitar efeitos oxidantes de agentes naturais.
b) Parafusos de cabeça com encaixe – são fabricados em geral de aço de alta resistência, aço endurecido, aço inoxidável ou outros metais e são utilizados de maneira intensa em máquinas, como mostrados na figura a seguir. A cavidade hexagonal permite que se aplique suficiente torque com chaves hexagonais especiais Allen. O estilo padrão de cabeça com encaixe é projetado para ser colocado em um furo no qual sua cabeça é impelida para dentro da superfície. O parafuso de ombro possui uma protuberância de tolerância pequena, com acabamento de retífica, que pode ser utilizada como um pivô, ou como meio de localização precisa. O parafuso bem apertado contra o ombro ainda assim pode acomodar uma parte de tamanho adequado que pode ser usada como pivô entre a cabeça e a superfície na qual está aparafusada. Parafusos sem cabeça são utilizados para trancar colares e cubos a eixos. O parafuso com sextavado interno é utilizado em uniões que exigem um bom aperto, em locais onde o manuseio de ferramentas é difícil devido à falta de espaço. Esses parafusos são fabricados em aço e tratados termicamente para aumentar sua resistência à torção; As uniões roscadas sujeitas à solicitação transversal necessitam de recursos adicionais para proteger o parafuso contra o cisalhamento e manter a posição das partes.
1.5 – Porcas: Porca é uma peça de forma prismática ou cilíndrica geralmente metálica, com um furo roscado no qual se encaixa um parafuso, ou uma barra roscada. Em conjunto com um parafuso, a porca é um acessório amplamente utilizado na união de peças. A porca está sempre ligada a um parafuso. A parte externa tem vários formatos para atender a diversos tipos de aplicação. Assim, existem porcas que servem tanto como elementos de fixação como de transmissão. A figura a seguir mostra uma grande quantidade de porcas disponíveis. A porca de aperto é uma versão estreita da porca hexagonal padrão e é utilizada em combinação com a porca- padrão para travar esta ao parafuso. A porca de castelo tem sulcos para inserção de um pino através de um furo passante ao parafuso e que evita que a porca trabalhe frouxa. Uma porca cega é utilizada com propósitos decorativos e a porca de borboleta permite remoção sem necessidade de utilização de ferramentas.
1.6 – Arruelas: Arruelas: uma arruela simples é uma parte plana, com forma de anel, que serve para aumentar a área de contato entre a cabeça do parafuso ou porca e a parte sujeitada. Arruelas de aço endurecido são utilizadas quando a força de compressão da cabeça de parafuso sobre a parte sujeitada necessita ser distribuída sobre uma área maior que a área da cabeça do parafuso ou da porca. Arruelas não-metálicas são usadas quando é necessário isolamento elétrico do parafuso com relação à parte. Arruelas Belleville (figura ao lado) são utilizadas em alguns casos sob porcas ou cabeças de parafusos para fornecer um controle das mudanças de força axial ao longo do comprimento do parafuso Arruelas de travamento: para evitar o afrouxamento espontâneo de porcas padronizadas (em oposição a porcas de travamento), arruelas de travamento podem ser utilizadas sob a porca de um parafuso ou sob a cabeça de um parafuso de máquina. A arruela partida ou de pressão é de aço endurecido e atua com uma mola sob a porca. Seus cantos vivos também tendem a cavar as superfícies sujeitadas. Também são oferecidos vários tipos de arruelas dentadasseus dentes dispostos para cima são comprimidos quando sujeitados e cavam, adentrando a porca e as superfícies das partes. As arruelas de travamento são consideradas menos efetivas em evitar o afrouxamento que as porcas de travamento, que são, portanto, preferidas. Porca-arruela combinados (SEMS): são combinações de porcas e arruelas de travamento prisioneiras que permanecem com a porca. A vantagem principal reside no fato de assegurarem que a arruela de travamento não será deixada fora da montagem ou remontagem. 1.7 – Fabricação de parafusos fixadores: Corte de roscas: as roscas internas são geralmente cortadas com uma ferramenta especial chamada tarracha, ou macho, que possui a forma dos filetes de rosca desejados e se parece a um parafuso. Essas ferramentas são feitas de aço ferramenta endurecido e possuem ranhuras axiais que interrompem suas roscas de modo a fornecer extremidades cortantes com a forma das roscas. Um furo piloto é cortado com uma broca de tamanho adequado e então a tarracha lubrificada é girada lentamente no furo enquanto avança a uma razão adequada. Porcas muito grandes têm roscas feitas em uma castanha de torno com uma ferramenta com forma de rosca, de ponta única, que se faz avançar axialmente através do furo por meio de um fuso de avanço que controla avanço e passo. Roscas externas podem também ser cortadas por uma ferramenta de ponto único em um torno ou alternativamente em uma matriz, que possui rosqueamento externo da mesma forma da tarracha. A barra a ser rosqueada tem o mesmo tamanho que o diâmetro externo da rosca que se pretende fazer. Máquinas especializadas, conhecidas como máquinas de fazer roscas , são utilizadas para produzir parafusos de porca, parafusos sem porca e porcas, em altas quantidades e a baixo custo. Todas as roscas construídas pelos métodos descritos acima são conhecidas como roscas cortadas. Laminação de roscas: um método melhor de fabricação de roscas é a laminação de roscas, conhecido também como conformação de roscas. Matrizes de aço endurecido na forma de roscas são forçadas contra a superfície da barra que se pretende fazer rosca. As matrizes fazem escoar a frio o material da barra para adquirir a forma de rosca. O diâmetro final externo da rosca é maior que o diâmetro inicial da barra porque o material é forçado para fora das raízes e para dentro das cristas das roscas. O processo de laminação tem várias vantagens sobre o processo de corte de roscas. A conformação a frio encrua e aumenta a resistência do material da rosca, cria raios de raiz e crista e introduz tensões residuais de compressão benéficas nas raízes das roscas. A alteração
de forma do material na forma de roscas causa uma reorientação dos grãos do material para a forma de rosca. Em contraste, o corte de roscas interrompe os grãos. Todos esses fatores contribuem para um aumento significativo da resistência de roscas laminadas quando comparados àquela de roscas cortadas. Além de mais resistência, roscas laminadas apresentam menor perda de material que roscas cortadas, uma vez que nenhum material é removido, e a peça inicial é, portanto, de menor tamanho. Fixadores de alta resistência são geralmente de aço endurecido.a laminação de roscas deve ser feita após o endurecimento do parafuso, se possível, uma vez que o processo de endurecimento térmico irá aliviar as tensões residuais introduzidas pela laminação. Em qualquer aplicação em que a carga nos fixadores seja alta e onde cargas que causam fadiga estiverem presentes, roscas laminadas devem ser sempre utilizadas. Em aplicações não-críticas ou onde a carga seja leve, as roscas cortadas, mais fracas e mais baratas, podem ser usadas.
- Conformação da cabeça: as cabeças de parafusos de porcas são geralmente fabricadas por conformação a frio em um procedimento conhecido com recalqu e. Para se ter uma imagem desse processo, imagine tomar uma barra de argila de modelagem em suas mãos, deixando um pequeno pedaço extendendo-se além do seu punho. Golpeie o topo da barra de argila axialmente com a outra mão ao mesmo tempo em que aperta firmemente a barra no seu punho de modo a esmagar a extremidade da barra em uma forma achata menor mas de diâmetro de cabeça maior. De maneira similar, o pedaço de material sobrante deixado em tamanho adequado. Uma matriz com o diâmetro de cabeça desejado rodeia essa extremidade exposta. Quando o martelo desce, faz com que o material flua a frio para gerar uma cabeça redonda. Melhorias similares na orientação de grãos na cabeça são obtidas como descrito acima no relativo a laminação de roscas. Parafusos de diâmetro maiores que cerca de ¾ in devem ser tratados termicamente antes de ser fabricada a cabeça dos mesmos. Recortes hexagonais ou fendas Phillips são produzidos no processo de conformação a frio (ou a quente) de fabricação de cabeças. Superfícies hexagonais ou fendas de parafusos são usinadas mais tarde na cabeça do parafuso. 1.8 – Resistência de parafusos padronizados e parafusos de máquinas: Parafusos de porca e parafusos de máquinas para aplicações estruturais ou casos de cargas pesadas devem ser escolhidos com base na sua resistência de prova, que é a tensão sob a qual o parafuso começa a apresentar deformação permanente, e é próxima, porém inferior, à resistência de escoamento do material. A resistência de prova é definida nas especificações SAE, ASTM e ISO. Estas organizações definem grau ou classes para parafusos indicados por marcas na sua cabeça. As figuras e tabelas apresentadas a seguir especificam os graus e classes dos parafusos padronizados.
2. Pinos e Rebites:
2.1 - Pinos:
Pino é uma peça geralmente cilíndrica ou cônica, oca ou maciça que serve para alinhamento, fixação e transmissão de potência. Se diferenciam por suas características de utilização, forma, tolerâncias dimensionais, acabamento superficial, material e tratamento térmico. Os alojamentos para pinos devem ser calibrados com alargador que deve ser passado de uma só vez pelas duas peças a serem montadas. Esta calibragem é dispensada quando se usa pino estriado ou pino tubular partido (pino elástico). O principal esforço a que os pinos, de modo geral, estão sujeitos é o de cisalhamento.Por isso os pinos com função de alinhar ou centrar devem estar a maior distância possível entre si, para diminuir oa esforços de corte. Os pinos são usados em junções resistentes a vibrações. Há vários tipos de pino, segundo sua função:
