Parafusos - cosipa, Teses (TCC) de Engenharia Mecânica
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parafuso

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UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA

ENGENHARIA MECÂNICA INDUSTRIAL

Análise dos Parâmetros que Influenciaram a Falha dos Parafusos Calibrados Aço1045 do Acoplamento de Engrenagem da Mesa

Giratória do Laminador de Chapas Grossas

Objetivo

Introdução Fundamentação Teórica Método Experimental Resultados Experimentais Conclusão Grupo de Trabalho

SUMÁRIO

Metodologia

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OBJETIVO

Apresentar um estudo do motivo da quebra dos parafusos do acoplamento da mesa giratória do Laminador de Chapas Grossas da Cosipa.

METODOLOGIA

Método baseado na metalografia e nos estudos dos esforços mecânicos a que eles estão submetidos.

Utilização do software SOLIDWORKS® e COSMOSWORKS®, que simula todos estes esforços mecânicos através do “método matemático dos elementos finitos”.

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INTRODUÇÃO

Um laminador de chapas grossas é um equipamento composto de quatro cilindros empilhados na vertical e seu objetivo é reduzir a espessura de placas de aço, à medida que elas passam entre estes cilindros, aplicando-se uma força de aperto nas placas.

INTRODUÇÃO

Um dos principais equipamentos que fazem parte de um laminador de chapas grossas são as mesas giratórias de entrada e saída. A principal função destas mesas é girar o material na entrada e na saída do laminador, conforme o sentido de laminação, se transversal ou longitudinal.

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INTRODUÇÃO

O trabalho surgiu da necessidade de analisar as quebras dos parafusos do acoplamento da mesa giratória, que causaram paradas de emergência no equipamento.

REGIÃO FRATURADA

FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

ANÁLISE DE FALHAS

A análise de falha é uma metodologia que tem o objetivo de identificar os mecanismos que causam danos ou falhas em elementos mecânicos ou equipamentos. O resultado de um estudo de análise de falha é utilizado para corrigir os fatores que provocam as falhas, evitando suas reincidências.

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FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

PROCEDIMENTOS DE ANÁLISE DE FALHAS

Coleta de Informações; Inspeção Visual; Metalografia; Ensaio de Dureza; Engenharia Reversa e Cálculos Matemáticos.

FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

COLETA DE INFORMAÇÕES

A informação deve ser feita preferencialmente no momento e no local onde ocorreu a falha, a fim de evitar que falte algum dado importante.

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FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

INSPEÇÃO VISUAL

Importante recurso na verificação de alterações dimensionais, padrão de acabamento superficial e na observação de descontinuidades superficiais visuais. Ex.: cavidades e porosidades.

FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

METALOGRAFIA

Metalografia é o estudo da estrutura interna ou externa dos metais. Quanto ao tipo de observação, ela está subdividida basicamente em duas classes:

Macroscopia;

Microscopia.

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FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

ENSAIO DE DUREZA

O ensaio de dureza é a determinação da resistência que um material oferece à penetração de outro em sua superfície.

FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

ENGENHARIA REVERSA

A engenharia reversa consiste em, a partir de uma solução pronta, reavaliar parâmetros e conceitos ali empregados.

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MÉTODO EXPERIMENTAL

Inspeção Visual

CPVI

CPI

CPII

CPIII

Para os corpos de prova, foram selecionados parafusos que quebraram em campo, sendo identificados como: CP I, CP II, CP III e CP IV (parafuso novo).

MÉTODO EXPERIMENTAL

Macrografia O ensaio de macrografia foi realizado com a finalidade

de identificar os defeitos superficiais.

O preparo do corpo de prova de macrografia consistiu em:

Escolha e localização da secção a ser estudada; Deixar a superfície plana e polida no lugar escolhido; Ataque dessa superfície por um reagente químico adequado.

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MÉTODO EXPERIMENTAL

Micrografia O exame da superfície foi realizado no microscópio óptico

para verificação de inclusões, escórias, trincas, distribuição da grafita, porosidades, ou outras ocorrências.

MÉTODO EXPERIMENTAL

Ensaio de Dureza Foram seccionados dois corpos de provas CPI e CPII no cortador de disco abrasivo (cut-off);

Estes CPs foram submetidos a um polimento, onde a superfície que interessava foi cuidadosamente lixada e polida;

Logo após a finalização do acabamento superficial, os CPs foram submetidos ao ensaio de dureza, o qual foi repetido por três vezes, em cada um dos CPs, para obtenção da média, utilizando a escala de Rockwell C do equipamento.

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MÉTODO EXPERIMENTAL

Foi realizado um ensaio de tratamento térmico, têmpera e revenimento, conferindo as características como uma forma de avaliar as microestruturas.

Engenharia Reversa A engenharia reversa compreendeu o tratamento térmico do

material para a obtenção da dureza necessária.

Tratamento térmico

MÉTODO EXPERIMENTAL

Têmpera em água dos corpos de prova Foi realizado um tratamento térmico de têmpera com o objetivo de obter uma estrutura denominada martensítica. Os corpos de prova foram submetidos às seguintes etapas:

Os corpos de provas CP I e CP II foram seccionados em três partes com dimensões de Ø16 mm x 5 mm de altura;

A mufla foi ajustada para chegar à temperatura de 950 ºC; Após atingir esta temperatura os CPs foram inseridos, permanecendo lá por 10 min;

Depois de retirados da mufla os CPs foram inseridos em um recipiente com água a uma temperatura de 25 ºC.

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MÉTODO EXPERIMENTAL

Revenimento dos corpos de prova CPI e CPII

É o tratamento usado para remover as tensões internas deixadas pela têmpera. O revenimento melhora a tenacidade das microestruturas martensíticas, diminuindo a resistência e a dureza.

MÉTODO EXPERIMENTAL

Demonstrativo da influência do Carbono na dureza no tratamento de revenimento.

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MÉTODO EXPERIMENTAL

Demonstrativo da influência do Manganês (800º F) na dureza no tratamento de revenimento.

MÉTODO EXPERIMENTAL

Demonstrativo da influência do Manganês (900º F) na dureza no tratamento de revenimento.

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RESULTADOS EXPERIMENTAIS

Fratura por fadiga seguida por fratura frágil.

CP I

Análise Visual

RESULTADOS EXPERIMENTAIS

Fratura Frágil

CP II

CP II

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RESULTADOS EXPERIMENTAIS

Ensaio de Dureza

RESULTADOS EXPERIMENTAIS

Não apresentou algumas das heterogeneidades mais comuns nos aços, tais como:

vazio, causado pelo resfriamento lento; segregação, causadas pelas impurezas e outros metais; dendritas, formação de grãos de vários tamanhos; trincas, devido às tensões excessivas no resfriamento.

Ensaio Metalográfico Macrografia:

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RESULTADOS EXPERIMENTAIS

As amostras (CP I e CP II) analisadas apresentaram microestruturas variadas, cuja apresentação destes resultados veremos subdivididos por amostras.

Micrografia:

RESULTADOS EXPERIMENTAIS

CP I

CP II

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RESULTADOS EXPERIMENTAIS

Microestrutura: ferrita e perlita

Tratamento térmico: ausência de têmpera e revenimento

Amostras CP I e CP II

RESULTADOS EXPERIMENTAIS

Foi realizado um processo de têmpera, aquecendo o material à 950ºC e após resfriando-o em água à 25ºC, onde adquiriu- se uma estrutura 100 % martensítica, com dureza de 58 HRC. Posteriormente, com a mesma amostra realizamos um ensaio de revenimento baseado nos cálculos descritos no método experimental, cujo valor encontrado é para uma temperatura de 458,51 ºC. Dessa forma, alcançamos uma dureza, após o revenimento, de 32 HRC.

Reengenharia

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RESULTADOS EXPERIMENTAIS

Amostra CP I apresentou martensita revenida (imagem ampliada 200 X).

RESULTADOS EXPERIMENTAIS

Cálculos dos Esforços

( )  

  

 ××++××= escoraapap dtg d

FM µϕα 7,0 2

2

chapa ap

R F

µ ≥

Força de aperto:

Momento de aperto:

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RESULTADOS EXPERIMENTAIS

Modelamento Matemático Conjunto de fixação: Análise de tensões por Von Mises

RESULTADOS EXPERIMENTAIS

Modelamento Matemático Conjunto de fixação: Deslocamento da cabeça do parafuso

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RESULTADOS EXPERIMENTAIS

Modelamento Matemático Conjunto de fixação: Coeficiente de segurança da arruela

RESULTADOS EXPERIMENTAIS

Modelamento Matemático Conjunto de fixação: Coeficiente de segurança da porca

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RESULTADOS EXPERIMENTAIS

Modelamento Matemático Conjunto de fixação: Coeficiente de segurança do parafuso

CONSIDERAÇÕES FINAIS

O CPI rompeu por fadiga seguida de fratura frágil O CP II rompeu somente por fratura frágil. Os corpos de prova ensaiados apresentaram dureza abaixo do especificado no projeto, pois não eram materiais temperados e revenidos

Com os cálculos de elementos de máquinas foi possível determinar a força de aperto e o momento de aperto, dados que não constam no projeto e não é possível determinar se foram utilizados na montagem dos parafusos.

Com base nos programas SOLIDWORKS® e o COSMOSWORKS® utilizados, em conjunto com o método matemático de elementos finitos, justificamos que o parafuso especificado estava superdimensionado em relação ao projeto.

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GRUPO DE TRABALHO

Cláudio Marcelo Balbino dos Santos

Gledson Leandro Severo da Silva

Ludney Oliveira de Jesus

Ricardo Lima da Silva

Wagner Tiago de Lima

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