CENTRO UNIVERSITRIO POSITIVO

PROJETO DE UM ELEMENTO DE FIXAO DE PEAS COM

ALIMENTAO HIDRULICA PARA O PROCESSO DE USINAGEM

CURITIBA

2006

FILIPE DE CARVALHO DANTAS

RICARDO MUNHOZ DA ROCHA CARREIRO

PROJETO DE UM ELEMENTO DE FIXAO DE PEAS COM

ALIMENTAO HIDRULICA PARA O PROCESSO DE USINAGEM

Monografia apresentada como requisito parcial obteno do grau de Engenheiro pelo Curso de Engenharia Mecnica, do Setor de Cincias Exatas e de Tecnologias do Centro Universitrio Positivo. Orientador: Prof. Emlio Eiji Kavamura

CURITIBA

2006

ii

ii

SUMRIO

LISTA DE TABELAS........................................................................................................ iii

LISTA DE FIGURAS .........................................................................................................iv

LISTA DE SIGLAS..............................................................................................................v

RESUMO.............................................................................................................................vi

1 INTRODUO..............................................................................................................1

1.1 IMPORTNCIA DO TRABALHO..................................................................................2

1.2 OBJETIVO DO TRABALHO..........................................................................................2

1.3 ESCOPO ..........................................................................................................................2

1.4 COMPOSIO DO TRABALHO ...................................................................................3

2 REVISO BIBLIOGRFICA.......................................................................................3

2.1 SISTEMAS DE FIXAO..............................................................................................4

2.1.1 Fixao mecnica versus fixao hidrulica...................................................................7

2.1.2 Dispositivos de fixao..................................................................................................9

2.2 USINAGEM ..................................................................................................................11

2.3 HIDRULICA...............................................................................................................13

2.3.1 Circuitos hidrulicos....................................................................................................13

2.3.2 Tipos de fluidos hidrulicos.........................................................................................14

2.3.3 Seleo de fluidos hidrulicos......................................................................................19

2.4 VEDAO....................................................................................................................23

3 O CILINDRO HIDRULICO.....................................................................................26

3.1 DIMENSIONAMENTO.................................................................................................27

3.2 SELEO DO MATERIAL DOS COMPONENTES ....................................................28

3.2.1 Material do Pisto........................................................................................................29

3.2.2 Material da Camisa e Tampa .......................................................................................31

3.3 ESFOROS SOBRE OS COMPONENTES...................................................................32

3.3.1 Esforos Estticos........................................................................................................32

3.3.2 Esforos Dinmicos.....................................................................................................42

4 ANLISE DE RESULTADOS ....................................................................................46

4.1 AVALIAO DE CUSTOS ..........................................................................................53

5 CONCLUSO ..............................................................................................................54

APNDICES ......................................................................................................................58

iii

iii

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Dados de testes realizados......................................................................................8

Tabela 2 - Anlises efetuadas .................................................................................................8

Figura 4 - Opes de fixao ................................................................................................10

Tabela 3 - Classificao de leos industriais (viscosidade) ...................................................21

Tabela 5 - Caractersticas de fluidos .....................................................................................23

Tabela 6 - Descrio de aos para cementao......................................................................30

Tabela 7 - Composio qumica do ao ABNT 8620 ............................................................30

Tabela 8 - Composio qumica do ao ABNT 1045 ............................................................31

Tabela 9 - Resistncia de parafusos ISO classe 12.9 .............................................................39

Tabela 10 - Fator do tamanho e limite de fadiga corrigido ....................................................44

Tabela 11 - Constantes para clculo de resistncia fadiga...................................................44

Tabela 12 - Caractersticas do ABNT 8620 para CAE ..........................................................47

Tabela 13 - Caractersticas para anlise CAE........................................................................48

iv

iv

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Fixao no processo de usinagem...........................................................................5

Figura 2 - Dispositivo hidrulico ............................................................................................6

Figura 3 - Dispositivo mecnico .............................................................................................6

Figura 4 - Opes de fixao ................................................................................................10

Figura 5 - Cilindros de dupla e simples ao.........................................................................10

Figura 6 - Conjunto montado do cilindro hidrulico .............................................................26

Figura 7 - Ilustrao do sistema de alimentao....................................................................27

Figura 8 - Giro do pisto ......................................................................................................28

Figura 9 - Haste do cilindro ..................................................................................................33

Figura 10 - Crculo de mohr para cilindro 60x30 ..................................................................35

Figura 11 - Crculo de mohr para cilindro 50x25 ..................................................................36

Figura 12 - Crculo de mohr para cilindro 30x20 ..................................................................37

Figura 13 - Consideraes de anlise esttica. ......................................................................47

Figura 14 - Deformao em pisto 30x20 .............................................................................49

Figura 15 - Anlise de acmulo de tenso em pisto 30x20 ..................................................49

Figura 16 - Deformao em pisto 50x25 .............................................................................50

Figura 17 - Anlise de acmulo de tenso em pisto 50x25 ..................................................51

Figura 18 - Deformao em pisto 60x30 .............................................................................52

Figura 19 - Anlise do acmulo de tenses em pisto do 60x30............................................52

v

v

LISTA DE SIGLAS

ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas

CAD Computered Aided Design (Desenho Assistido por Computador)

CAE Computered Aided Engineering (Engenharia Assistida por Computador)

CNC Computered Numeric Control (Controle Numrico Computadorizado)

DIN Deutsche Industrie Normen (Norma da Indstria Alem)

GLP Gs Liquefeito de Petrleo

ISO International Standard Organization (Organizao Internacional de Normas)

PVC Policloreto de vinila

SAE Society of Automotive Engineers (Sociedade dos Engenheiros Automotivos)

vi

vi

RESUMO

Avaliando o comrcio de componentes de fixao de peas para o processo de

usinagem, percebe-se a carncia de produtos nacionais com qualidade nivelada com a de

produtos importados.

conciliando tal deficincia com o consumo de produtos dessa natureza, que nasce

este projeto, com o enfoque de projetar um componente que atenda as necessidades do

processo, podendo assim estar disponibilizando um produto para fabricao que descarte a

necessidade da importao de cilindros importados. Isso favorece diretamente o consumidor,

j que esse ter como vantagens uma reduo nos custos de importao, menores prazos de

entrega e uma maior facilidade para reposio.

Para esse desenvolvimento foram estudados tpicos como usinagem, hidrulica,

sistemas de fixao, materiais mecnicos e resistncia dos materiais.

Enfim, este trabalho foi executado no mbito do projeto de um componente

mecnico que possui como objetivo fixar peas em dispositivos no processo de usinagem

seriada, utilizando um fluido hidrulico de alimentao.

1 INTRODUO

Na prestao de servios de usinagem seriada, trs so as variveis que influenciam

diretamente na estabilidade do processo: dispositivos de fixao, ferramentas de corte e centro

de usinagem CNC. Essas caractersticas dependem uma da outra, pois de nada til um

centro de usinagem de ultima gerao com ferramentas de corte com alta tecnologia se o

dispositivo de fixao no for construdo para atender o que for preciso. Da mesma maneira

no conveniente superdimensionar um dispositivo de fixao se o mesmo ir trabalhar em

centro de usinagem precrio e com ferramentas de baixa qualidade. (SANDVIK

COROMANT, 2005).

As mquinas vm apresentando freqentes inovaes tecnolgicas em velocidade

nos eixos e na rotao do eixo-rvore, precises nos movimentos, maior agilidade em troca de

ferramentas de corte, menos vibrao, CNC mais desenvolvidos; por isso imprescindvel

que tanto os dispositivos de fixao quanto as ferramentas de corte acompanhem essa

tendncia inovadora para que seja possvel aproveitar todos os recursos do centro de usinagem

disponvel.

No processo de usinagem, toda pea que for usinada precisa de algum meio de

fixao na mquina. Em equipamentos de usinagem convencionais, utilizado com

freqncia morsas ou em caso de tornos placas com castanhas. J quando se trata de alta

produtividade utilizando equipamentos CNC, geralmente viabilizado o desenvolvimento de

sistemas especiais de fixao, dedicados a um nico tipo de pea.

Neste trabalho so tratados exclusivamente conceitos de fixao em dispositivos de

usinagem, bem como as necessidades que o processo de usinagem exige dos componentes de

fixao. No o foco deste aprofundar em conceitos de ferramentas de corte ou em centros de

usinagem.

A empresa CR Usinagem, disponibilizou sua estrutura de engenharia para auxiliar no

desenvolvimento do projeto. Instalada na Cidade Industrial de Curitiba atua na rea de

solues em fixaes para usinagem h 12 anos e atende consumidores nacionais e

internacionais. Foram utilizados os softwares de CAD (SOLIDWORKS,2005) e CAE

(COSMOSXPRESS,2005) da empresa, alm de todo material bibliogrfico (catlogos, livros

e manuais) que a companhia dispe em seu departamento de engenharia de produto.

2

1.1 IMPORTNCIA DO TRABALHO

Quando se trata de fixao de peas em processo de usinagem seriada, muitos

conceitos devem ser considerados, por exemplo, tipo de alimentao do dispositivo, nmero

de fixadores, disposio de peas no dispositivo, entre outros. Os dispositivos de usinagem

devem acompanhar a propenso de diminuir ao mximo o contato humano no processo de

fabricao, tendncia esta que vem aumentando a cada dia na indstria em geral.

Com a viso de alta produtividade, a mnima interferncia do operador da mquina

durante a usinagem deve ser considerada. Para tal aplicam-se sistemas de fixao automticos

(cilindros) para fixar as peas no processo de usinagem. Existem cilindros comerciais, porm

eles possuem elevados preo e prazo de entrega, por serem importados.

O desenvolvimento deste trabalho importante para o consumidor final deste tipo de

produto, uma vez que a inteno disponibilizar o componente com menores preo e prazo de

entrega.

1.2 OBJETIVO DO TRABALHO

Projetar um componente mecnico com a finalidade de fixar peas mecnicas em

dispositivos de usinagem utilizando um sistema hidrulico de alimentao. Esse componente,

chamado de cilindro hidrulico, aplicado em estruturas (dispositivos) construdas para

receber a pea dentro do centro de usinagem.

1.3 ESCOPO

O projeto do componente deve seguir alguns tpicos que devem ser levados em

considerao durante o desenvolvimento. So eles:

O projeto deve seguir padres de funcionamento de componentes que j existem

no mercado, j que ser usado em conjunto com equipamentos j existentes no

mercado (centro de usinagem);

3

O custo final de fabricao do componente no pode ultrapassar o valor dos

atualmente encontrados no mercado, uma vez que h a preocupao com o valor

final do produto;

O prazo de fabricao e entrega deve ser significativamente menor do que a

aquisio de um produto importado com a mesma funcionalidade;

Os materiais comerciais aplicados (vedaes e parafusos) devem seguir um padro

nacional que seja facilmente encontrado no mercado para caso de reposio;

O fluido utilizado para a alimentao do sistema hidrulico deve ser leo mineral,

uma vez que todos os equipamentos de usinagem que possuem unidade hidrulica

para dispositivos so projetados para trabalhar com esse fluido.

1.4 COMPOSIO DO TRABALHO

O desenvolvimento desse documento est dividido em seis partes, conforme

descrio a seguir:

Sistemas de fixao: apresentao de conceitos e tipo de sistemas de fixao,

comparao entre sistemas manuais e automticos, testes realizados e

dispositivos de fixao;

Usinagem: variveis de definio e esforos de corte;

Hidrulica: tipos de fluidos hidrulicos, caractersticas, aplicaes, seleo de

fluidos hidrulicos e classificaes;

Vedaes hidrulicas: seleo de vedao hidrulica;

Cilindro hidrulico: conceitos, apresentao do modelo, anlises de cargas,

materiais aplicados, dimensionamento;

Anlise dos resultados: avaliao geral dos resultados obtidos e concluses.

2 REVISO BIBLIOGRFICA

Neste captulo apresentado o resultado de pesquisas realizadas a fim de definir o

conceito do componente, conceitos bsicos de usinagem, informaes sobre hidrulica e

vedaes hidrulicas.

4

2.1 SISTEMAS DE FIXAO

A utilizao de grampos de fixao em qualquer tipo de produo, seja ela de uma

nica pea ou de uma srie de peas, automatizada ou manual, contribui significativamente

para a obteno de melhoria nos seguintes aspectos: qualidade, tempo de fabricao,

repetibilidade, reduo da fadiga do operador e sem dvida a segurana da operao. A

seleo correta do tipo de fixao a ser utilizada de fundamental importncia para obtermos

os resultados desejados. A busca de solues baratas via de regra no leva em conta os tempos

de set-up, carga e descarga, alm de tornar o processo inseguro para o homem e para a

mquina, aumentando consideravelmente o custo final do produto. Os tempos no produtivos

afetam de forma substancial os custos de produo, e podem ser reduzidos sem grande esforo

tcnico e com baixo investimento. A repetibilidade uma das variveis de maior importncia

para a garantia de um processo de fabricao lucrativo. Para chegar estabilidade o

dispositivo de fixao deve ser preciso e muito bem projetado, prevendo os esforos de corte,

vibraes, tempo de troca de pea, balanceamento do nmero de peas no dispositivo com o

tempo do ciclo de usinagem, entre outros (SPARFIX, 2006). A Figura 1 ilustra a fixao de

uma pea utilizando dois cilindros hidrulicos durante o processo de usinagem. Vale observar

na figura que ambos os cilindros esto alojados em uma estrutura (dispositivo) assim como a

pea a ser usinada. O esforo de corte gerado pela ferramenta deve ser suportado pelos

cilindros hidrulicos para evitar que a pea movimente-se durante a usinagem. Usualmente

so empregados dois conceitos diferentes de fixao de peas para o processo de usinagem:

fixao manual (citada como mecnica) ou fixao hidrulica. Em dispositivos com sistema

de fixao mecnica a obteno de estabilidade do processo torna-se mais difcil. Por se tratar

de um sistema de fixao manual, o operador da mquina o responsvel pela fixao da pea

no dispositivo. O maior problema garantir que o dispositivo esteja posicionando a pea

sempre da mesma maneira e que esteja distribuindo a carga de fixao correta e de maneira

uniforme sobre os pontos de aperto. Quando se trata de dispositivos que fixam mais de uma

pea por vez, a situao ainda mais crtica. Existe a possibilidade do operador da mquina

liberar o dispositivo para a usinagem com alguma pea solta, o que pode provocar danos

irreparveis ao equipamento.

5

Figura 1 Fixao no processo de usinagem

Fonte: REMHELD, 2001

J em dispositivos com sistema de fixao hidrulico a repetibilidade do aperto

torna-se mais acessvel. Atravs de cilindros automticos (seja ele hidrulico ou pneumtico),

todo o sistema de fixao pode ser controlado pelo CNC (ou por outro controlador de

produo), no dependendo mais do operador para fixar a pea. Com a possibilidade de

controle por meio de vlvulas e pressostatos, no preciso alocar responsabilidades essenciais

do processo ao operador, cabendo ao mesmo apenas fazer a troca de peas prontas por peas

que sero usinadas. possvel ainda a aplicao de anti-vibratrios em pontos crticos da pea

juntamente com uma seqncia de fixao. Nesse conceito de fixao so utilizados cilindros

hidrulicos para prender a pea e para absorver vibraes da mesma quando necessrio. Alm

disso, pode-se prever fixao em pontos onde seriam inacessveis no caso de dispositivos

mecnicos por falta de espao para chaves e manuseio dos fixadores manuais. Fora esses

benefcios, h a questo do tempo de fixao.

As figuras 2 e 3 ilustram exemplos de dispositivos de usinagem com sistemas

mecnico e hidrulico de fixao.

Ao implantar na linha de manufatura dispositivos mecnicos que possuam vrios

fixadores, h um grande tempo de fixao j que o operador tem que apertar cada fixador

individualmente.

6

Figura 2 Dispositivo hidrulico

Fonte: O autor

Figura 3 Dispositivo mecnico

Fonte: O autor

So cinco as vantagens do sistema de fixao hidrulico e pneumtico:

1. Ganho de tempo o maior benefcio do sistema automtico de fixao o tempo

economizado na fixao e liberao das peas do dispositivo. Menos tempo de

mquina parada significa maior capacidade de produo;

2. Repetibilidade foras de fixao consistentes proporcionam preciso e

repetibilidade na fixao;

3. Ganho de espao componentes de fixao quando projetados compactos podem

reduzir o espao necessrio quando comparado com sistemas de fixao

mecnicos, j que no h a necessidade do aperto com chaves. Desta maneira

7

mais itens podem ser fixados no mesmo dispositivo e usinados simultaneamente

em apenas uma fixao;

4. Segurana menor interferncia do operador significa menor chance de

acidentes de trabalho;

5. Automao automatizando parte do processo de fabricao, no caso fixao, o

operador fica livre para desenvolver outras atividades.

2.1.1 Fixao mecnica versus fixao hidrulica

Muitos fatores devem ser levados em considerao na deciso de usar fixadores

mecnicos ou hidrulicos nas peas. Em geral, o sistema hidrulico deve ser usado em

aplicaes de grandes volumes de fabricao, ou quando tolerncias crticas devem ser

mantidas. Cilindros de fixao mecnica podem ser usados em aplicaes de menor volume,

ou em procedimentos de desbaste.

Por exemplo, o uso de produtos de fixao de peas hidrulicas vai permitir que se

mantenha a preciso 1% na fora de fixao (ENERPAC, 2002). Isto obtido com a

utilizao de pressostatos, bombas com acionamento eltrico e cilindros de fixao e apoio.

Esta preciso pode ser necessria quando se faz a usinagem de uma superfcie exigindo

tolerncia rgida, de menos de 0,025mm. A menor variao na fora de fixao pode resultar

em movimentao ou deflexo maiores do que a tolerncia total permitida. Em situaes

como esta, o investimento em fixao hidrulica irrecusvel, j que na aplicao mecnica

existe a dependncia do operador da mquina posicionar corretamente a pea, o que para

algumas tolerncias de fabricao foge da repetibilidade de posicionamento.

Dispositivos de fixao manual so suficientes quando tolerncias rgidas no so

exigidas, ou quando a pea fundida grande e nenhuma quantidade de fora excessiva de

fixao vai causar distoro da pea. Um operador de mquina pode apertar uma porca do

prisioneiro sobre o grampo num valor especfico de torque com no mximo 10% de preciso,

utilizando uma chave manual (ENERPAC, 2002). Isto poderia resultar em diferenas

significativas no posicionamento e altura da pea no dispositivo. Entretanto, com uma pea

fundida, onde o acabamento exigido no crtico, isto pode ser aceitvel. Ao se comparar os

custos de fixao mecnica e fixao hidrulica (Tabela 1), torna-se fcil escolher a opo

8

mais vantajosa. A quantidade de peas no lote de produo tambm deve ser levada em

considerao, juntamente com a economia de tempo e custo dos materiais.

A fixao mecnica mais barata, porm mais demorada quando comparada com a

hidrulica.

A Tabela 1 apresenta os resultados obtidos aps teste realizado na empresa CR

Usinagem no perodo de 20/03/2005 25/03/2005 utilizando uma mandriladora CNC Zocca

MF80Z. Foram usinadas peas utilizando dois sistemas de fixao: hidrulico e mecnico. As

caractersticas controladas nas duas situaes foram s mesmas.

Tabela 1 - Dados de testes realizados

Varivel Parmetro Fixao hidrulica Fixao mecnica

A Quantidade para produo 60.000 peas 60.000 peas

B Custo do material da pea R$25,00 R$25,00

C Custo do tempo de mquina R$150 por hora R$150 por hora

D Custo do dispositivo hidrulico R$30.000,00 R$5.000,00

E Pea por dispositivo 4 4

F Tempo de carga e descarga 20 segundos 240 segundos

G Tempo de usinagem 720 segundos 720 segundos Fonte: O Autor

Tabela 2 - Anlises efetuadas

Varivel Caracterstica Frmula de clculo

Fixao Hidrulica

Fixao Mecnica

H Tempo (usinagem + carga/descarga) por pea E

FG + 185 s 240 s

I Produo diria em funo do tempo H

36008 155 peas 120 peas

J Custo operacional por pea I

1508 R$ 7,74 R$10,00

K Custo dispositivo por pea A

D R$ 0,50 R$ 0,08

L Custo produtivo por pea KJ + R$ 8,24 R$ 10,08 Fonte: O Autor

Avaliando a Tabela 2 (foi considerada 8 horas dirias de trabalho) conclui-se que

para dispositivos hidrulicos os tempos de usinagem e carga/descarga so equivalentes a 185

segundos do tempo da mquina por pea. Estes 185 segundos, por pea, so equivalentes

9

produo de 155 peas por dia de 8 horas, a um custo adicional de R$7,74 por pea em funo

do custo da mquina de R$150,00 por hora. O custo do dispositivo hidrulico de R$0,50 por

pea. Desta maneira, foi adicionado ao custo da pea apenas R$8,21 ou um aumento

aproximado de 33%.

Fazendo a mesma anlise para um dispositivo com sistema de fixao mecnico,

tem-se que os tempos de usinagem e carga/descarga so equivalentes h 240 segundos por

pea. Esse tempo equivale produo de 120 peas por dia de 8 horas, a um custo adicional

de R$10,00 por pea, com o custo da hora mquina a R$150,00. O custo do dispositivo

mecnico de R$0,08 por pea. Ou seja, foi adicionado ao custo da pea R$10,06 ou um

aumento de aproximadamente 40%.

Como visto, partindo de uma viso superficial do problema, a implementao de um

sistema mecnico de fixao parece mais acessvel, entretanto aps uma anlise mais

profunda, considerando a alta produo, o contrrio fica comprovado.

2.1.2 Dispositivos de fixao

Dispositivos de fixao so utilizados para posicionar peas em centros de usinagem,

seja este horizontal ou vertical. Os fixadores que so acoplados a este dispositivo, podem ser

classificados pelas seguintes caractersticas:

Quanto alimentao: para que o grampo de fixao automtico seja acionado,

necessrio aliment-lo com algum fluido para sua movimentao. Essa alimentao pode ser

hidrulica ou pneumtica.

Quanto ao mecanismo de retorno: os cilindros de fixao podem ser classificados em

cilindros de simples e de dupla ao quando observado o mecanismo de retorno do mbolo.

Cilindros de simples ao funcionam com a presso no embolo (fixao) acionado pelo fluido

de alimentao e o retorno (liberao) acionado por uma mola, como ilustra a Figura 3. J em

cilindros de dupla ao tanto a presso quanto o retorno so acionados pelo fluido. Por se

tratar de um componente automtico, h a possibilidade de fazer com o que o cilindro gire

automaticamente ao se movimentar, facilitando assim a retirada da pea do dispositivo.

Avaliando a figura 4 possvel saber como podem ser classificadas as opes de

fixao de uma pea durante o processo de usinagem.

10

Figura 4 Opes de fixao

Fonte: O Autor

A figura 5 a seguir mostra, basicamente, diferena construtiva entre um cilindro de

simples ao e um de dupla ao. O de simples ao possui o retorno do cilindro acionado

mecanicamente por uma mola, enquanto o de dupla ao o mesmo fluido que aciona a fixao

deve acionar o retorno.

Figura 5 Cilindros de dupla e simples ao

Fonte: O Autor

11

2.2 USINAGEM

Neste processo de fabricao, duas das mais importantes variveis so redues do

tempo de preparao e repetibilidade do processo. A primeira refere-se a tempos de troca de

ferramentas de corte, troca de dispositivos de fixao, troca de peas no dispositivo, ou seja,

todo tempo morto da mquina (tempo em que a mquina fica parada). A segunda depende

principalmente de trs itens: mquina, ferramenta de corte e dispositivo de fixao. nos

dispositivos de fixao onde encontrada a maioria das razes da falta de repetibilidade do

processo.

Um dos aspectos mais importantes do tempo de ciclos na usinagem o tempo de

posicionamento, fixao e liberao de peas. O tempo destas operaes pode ser melhorado

com o uso de componentes hidrulicos de fixao de peas, permitindo maior eficincia e

menores custos.

A compreenso do comportamento e da grandeza dos esforos de corte no processo

de usinagem de fundamental importncia, pois eles afetam diretamente vrios fatores, entre

eles a carga necessria para a fixao da pea para o processo.

Teoricamente a fora de usinagem equivale fora resultante que atua sobre a cunha

cortante durante a usinagem. Nem a direo nem o sentido da fora de usinagem so

conhecidos, tornando-se impossvel med-la. Desta maneira no se trabalha com a fora de

usinagem propriamente, mas sim com seus componentes segundo diversas direes

conhecidas (DINIZ, 2000).

Para o dimensionamento de dispositivos de usinagem, no clculo da fora de fixao

so consideradas as frmulas de clculo utilizadas pela fabricante de cilindros hidrulicos de

fixao (ENERPAC, 2002):

Vc

PotFc

48000=

(1)

Onde:

Fc = Fora de corte [N]

Pot = potncia da mquina com 80% de eficincia [kW]

Vc = velocidade de corte [m/min]

12

1000

RPMNRDWMRR

=

(2)

Onde:

MMR = taxa de remoo do material [cm3/min]

W = largura do corte [mm]

D = profundidade do corte [mm]

R = avano por dente [mm]

N = nmero de dentes na ferramenta

RPM = velocidade do fuso da mquina

d

MPMRPM f

=

1000

(3)

Onde:

RPM f = rotao da ferramenta de corte [rpm]

MPM = velocidade de superfcie da ferramenta de corte [m/min]

d = dimetro da ferramenta [mm]

Fabricantes internacionais de cilindros de fixao (ENERPAC e REMHELD)

indicam que para sistemas de fixao mecnica usual um coeficiente de segurana igual a 2

enquanto que para sistemas hidrulicos o valor de 1,5; isso devido a uma maior

confiabilidade no sistema hidrulico. A fora necessria para fixar a pea com segurana

igual ao produto da fora de corte pelo coeficiente de segurana determinado. As equaes 1,

2 e 3 so utilizadas para quantificar a fora de corte.

Ainda, ao se projetar um sistema de fixao hidrulico, deve-se considerar o seu

funcionamento utilizando apenas 50 a 75% de sua presso mxima de trabalho (ENERPAC,

2002). Isto deixa reserva para uma futura otimizao do processo, quando houver necessidade

de mais fora de fixao para mais avano e maiores velocidades. Isto porque se o dispositivo

for projetado para valores mximos, no existe qualquer reserva, limitando o sistema.

13

2.3 HIDRULICA

A hidrulica o ramo da cincia que estuda os fluidos em movimento e suas

aplicaes prticas. A transmisso de fora ou movimento, atravs de um fluido sob presso

em um sistema hidrulico, empregada em uma grande variedade de aplicaes. Nenhum

outro meio combina o mesmo grau de versatilidade de utilizao, preciso, segurana e

flexibilidade de controle de presso e seqncia, com a capacidade de transmitir foras muito

grandes, por sistemas leves e compactos (FOX, 2001).

O princpio bsico que rege a hidrulica a Lei de Pascal: A presso aplicada sobre

um ponto de equilbrio, confinado num recipiente fechado, se transmite integralmente em

todas as direes dentro da massa fluida. Na prtica, isso significa que os lquidos, por serem

incompressveis, podem transmitir e multiplicar foras e realizar trabalho. Isso realizado

atravs dos componentes de um sistema hidrulico.

Existem duas formas bsicas de transmisso de fora hidrulica: hidrosttica e

hidrodinmica (IPIRANGA, 1988). Os sistemas hidrostticos utilizam uma bomba de

deslocamento positivo que pressiona o fluido para dentro do sistema. A fora transmitida

pela presso do fluido, sem grandes alteraes na velocidade do mesmo. Este tipo de sistema

empregado basicamente para transmisso e multiplicao de foras, havendo grande

variedade de formas e funes, sendo usado para operar e controlar mquinas, praticamente

em todos os segmentos da indstria. Os sistemas hidrocinticos ou hidrodinmicos utilizam a

energia cintica gerada pelo movimento do fluido em um sistema, para obter trabalho til. A

velocidade do fluido aciona as partes de um motor ou turbina hidrulica, obtendo-se assim

fora e energia. Os acoplamentos fluidos e conversores de torque utilizam este tipo de

sistema.

Como este projeto trata do desenvolvimento de um cilindro hidrulico que deve ser

alimentado com o fluido por meio de uma bomba hidrulica, este sistema considerado

hidrosttico.

2.3.1 Circuitos hidrulicos

Muitos sistemas hidrulicos parecem extremamente complicados, porm, sua

configurao bsica bastante simples. A despeito de sua complexidade ou simplicidade, os

14

circuitos hidrulicos possuem quatro componentes essenciais: um tanque (reservatrio) que

armazena o fluido; uma bomba para fornecer ao fluido, energia e presso, que sero

transformados em energia mecnica pelo atuador (a bomba acionada por um motor eltrico

ou outra fonte de energia mecnica); vlvulas que controlam a vazo e presso do fluido; um

atuador que transforma energia de presso em energia mecnica (cilindro ou pisto para

fornecer fora ou movimento linear, atuador rotativo ou motor para produzir torque e

movimento rotativo).

Os sistemas hidrulicos podem ser projetados de forma a produzir praticamente

qualquer combinao de foras ou movimentos. Desta maneira, a quantidade de componentes

utilizados e o arranjo do mesmo no circuito, variam conforme a aplicao e efeitos de trabalho

desejados.

2.3.2 Tipos de fluidos hidrulicos

Existem diversos tipos de fluidos utilizados em sistemas hidrulicos. A seguir

apresentada uma breve introduo de cada tipo e o foco em leo mineral, que o fluido

utilizado no acionamento do componente projetado.

2.3.2.1 gua

A gua excelente fluido quanto transmisso de energia (elevado coeficiente

volumtrico), com um alto poder refrigerante. inerte e no contaminante do ambiente nos

casos de vazamento, sendo quimicamente compatvel com quase todos os materiais dos

retentores, alm de ser absolutamente no inflamvel.

A gua continua sendo um recurso lgico para os sistemas que no reciclam ou que

necessitam de um volume muito grande de fluido, para sistemas com perdas inerentes e muito

elevadas e para condies que implique em risco de segurana na operao (inflamabilidade,

toxides e contaminao), como por exemplo os sistemas hidrulicos de alguns equipamentos

que operam em minas subterrneas. Entretanto, no adequado para ambientes com

temperaturas elevadas, devido ao seu baixo ponto de ebulio e grande velocidade de

evaporao. Principais inconvenientes da gua:

a) No possui caractersticas lubrificantes;

15

b) Provoca a corroso dos componentes e das tubulaes;

c) Tem uma viscosidade muito baixa, dificultando a estanqueidade e reduzindo o

rendimento do sistema;

d) Possui um ponto de congelamento elevado (0 C), podendo causar danos

considerveis no caso de congelamento, devido dilatao do fluido no sistema;

e) Possui baixo ponto de ebulio, limitando a faixa de operao.

Os trs primeiros inconvenientes citados podem ser compensados atravs de aditivos,

embora no se deva considerar a gua um fluido adequado para os sistemas hidrulicos atuais,

a no ser para casos excepcionais citados e para os especialmente projetados e construdos

para o seu uso, tanto pelos seus inconvenientes prprios como pelo menor rendimento obtido

em comparao com outros tipos de fluidos hidrulicos.

2.3.2.2 Emulses de gua e leo

So usados em sistemas que normalmente so projetados para usar gua como fluido

hidrulico. A adio de leo solvel na gua, normalmente na proporo de 1 a 5% de leo

em volume, serve para melhorar as propriedades lubrificantes e proteger componentes do

sistema contra a ferrugem (IPIRANGA, 1988).

Os sistemas que utilizam emulses de leo em gua requerem bombas, vlvulas e

outros componentes especiais, estando sua faixa de temperatura de operao limitada at 65C

as consideraes deste tipo de fluido no que diz respeito s aplicaes e s restries so as

mesmas comentadas anteriormente para a gua (IPIRANGA, 1988).

2.3.2.3 leos Minerais

Os leos minerais a base de petrleo so os mais utilizados em circuitos hidrulicos.

Normalmente so leos fabricados a partir de bsicos selecionados, que passam por processos

de refinao e tratamento, podendo ser utilizados nos mais diversos tipos de sistemas e nas

mais exigentes condies operacionais, com as seguintes caractersticas principais

(IPIRANGA, 1988):

a) So compatveis com a maioria dos materiais comumente utilizados nos sistemas;

16

b) Possuem caractersticas de viscosidade que satisfazem os requisitos exigidos pela

bomba hidrulica e os outros componentes do sistema;

c) So utilizados em ampla faixa de temperatura;

d) Tm boas caractersticas lubrificantes, suportando altas cargas e evitando o

desgaste das partes mveis;

e) Protegem as superfcies metlicas contra a corroso e ferrugem;

f) So resistentes formao de espuma e absoro do ar, separando-se

facilmente da gua;

g) Possuem boa estabilidade qumica em altas temperaturas, trabalhando por longos

perodos no sistema sem deteriorao ou formao de borras e depsitos

prejudiciais;

h) So de baixo custo relativo.

Alm disso, aos leos minerais podem ser adicionados aditivos qumicos que

permitem adapt-los para utilizao em condies especiais de servio, assegurando uma

melhor performance ao sistema hidrulico. Os principais tipos de leos hidrulicos minerais

so:

a) leos no aditivados: Devido a seu menor custo, so normalmente usados em

sistemas onde existem grandes perdas de leo, em servios de baixas presses e

onde no exista severidade ou responsabilidade na operao. Sua caracterstica de

desgaste em comparao com os leos aditivados uma maior oxidao quando

sujeitos s altas temperaturas. A qualidade destes leos pode variar conforme o

tipo de leo bsico utilizado e o processo de refrigerao e tratamento utilizados.

b) leos aditivados: So os tipos de fluidos hidrulicos mais utilizados. Apresentam

um custo maior que os leos no aditivados, pois so produzidos a partir de leos

bsicos selecionados e altamente refinados, alm de possurem aditivos anti-

ferrugem, anti-oxidante, anti-espumante, antidesgaste e desumidificante. Em

alguns tipos, utilizam-se tambm aditivos abaixadores de pontos de fluidez,

melhorador do ndice de viscosidade, detergente/dispersante e antigotejante. A

qualidade e performance desses leos podem variar conforme o leo bsico, os

tipos e a quantidade dos aditivos utilizados.

c) leos tipo automotivo: Este tipo de leo normalmente usado em equipamentos

tipo Mbile (tratores e caminhes) onde, por convenincia e condies

17

operacionais, utiliza-se o mesmo tipo de leo lubrificante do motor ou da

transmisso, na viscosidade adequada. Tambm so utilizados como fluido

hidrulico industrial, como alternativa na falta do leo hidrulico industrial

regular.

2.3.2.4 Fluidos gua-Glicol

As solues de gua-glicol da mistura de 30 a 60% de gua com etileno ou propileno

glicol esto sendo utilizadas em sistemas onde existam riscos de incndio ou que operem em

temperaturas muito baixas. A resistncia ao fogo e ao congelamento desta soluo

proporcional a quantidade de gua. Com menor proporo de gua, a resistncia ao fogo

decresce, e a viscosidade e a resistncia ao congelamento aumentam. Desta forma, devem ser

feitas anlises freqentes do fluido, para que no seja afetado o funcionamento do sistema. A

vida til deste fluido menor do que a do leo mineral ou dos fluidos sintticos.

2.3.2.5 Emulses de leo em gua

So usadas em sistemas hidrulicos onde existam riscos de incndio, sendo o fluido

resistente ao fogo mais barato. Este tipo de fluido, tambm conhecido como emulso

invertida, consiste basicamente numa soluo de leo mineral, gua na proporo de 40 a

60% e um agente emulsificante. Pequenas variaes na percentagem de gua acarretam

grandes variaes na viscosidade da soluo e na sua capacidade de extinguir chamas.

Em geral, suas aplicaes so limitadas a sistemas ou componente que no possuem

grandes tenses de deslizamento localizado, como por exemplo, bombas de palhetas de alta

velocidade e grandes presses ou mancais de rolamentos. A vida til dos componentes

menor do que quando se usam leos minerais, dependendo esta reduo do ciclo de trabalho,

temperatura e percentagem de gua contida no fluido (IPIRANGA, 1988).

2.3.2.6 Fluidos Sintticos

Os fluidos sintticos, normalmente a base de fosfato de steres, steres complexos,

aromticos de alto peso molecular, cloridratos de hidrocarbonetos, possuem estruturas

18

qumicas que oferecem resistncia propagao do fogo. Possuem boas propriedades de

lubrificao, sendo comparveis aos leos minerais quanto s caractersticas de desempenho

hidrulico.

Os fluidos sintticos tm um coeficiente volumtrico mais elevado que os outros

fluidos, sendo mais resistentes quanto aos efeitos da compressibilidade em altas presses.

Geralmente no so corrosivos, mas sob certas condies atacam o alumnio e suas ligas; no

protegem contra a oxidao das superfcies de metais ferrosos tanto quanto os leos minerais

(IPIRANGA, 1988).

Os fluidos sintticos indicados para sistemas que operam em altas temperaturas,

podendo trabalhar at 150C sem degradao. Possuem grande vida til, com baixo custo de

manuteno. Os princpios inconvenientes dos fluidos sintticos o seu elevado custo de

aquisio e sua incompatibilidade com a maioria dos tipos de elastmeros utilizados em

vedaes e juntas, pinturas e materiais isolantes do sistema eltrico (IPIRANGA, 1988).

Os fluidos sintticos so empregados principalmente em sistemas hidrulicos de

aviao, onde o custo adicional do produto secundrio frente a resistncia ao fogo no caso

de vazamentos ou avarias do sistema. Normalmente so indicados para sistemas hidrulicos

que trabalham em condies severas ou de grande preciso, pois o custo elevado do fluido

requer um sistema absolutamente livre de vazamentos em condies normais de

funcionamento (IPIRANGA, 1988).

2.3.2.7 Fluidos de Silicone

Os silicones so fluidos bastante caros, quase proibitivos para aplicaes que no so

muito especializadas. So adequados para trabalho em altssimas temperaturas (at 360 C),

alm de possurem um ndice de viscosidade muito elevado, que mantm sua viscosidade a

nveis aceitveis nas temperaturas mais altas. Os fluidos exclusivamente a base de silicones

apresentam grandes limitaes quanto as propriedades lubrificantes e antidesgaste, assim

como certo grau de incompatibilidade com alguns metais em altas temperaturas e com alguns

tipos de elastmeros. Para trabalhar em temperaturas superiores a 150 C so os nicos fluidos

disponveis no mercado. Todos os fluidos de silicone so resistentes ao fogo, porm, por seu

custo ser maior que dos fluidos sintticos, sua escolha no deve ser baseada exclusivamente

nesta propriedade (IPIRANGA, 1988).

19

2.3.2.8 leos Vegetais

O uso de leos vegetais a base de mamona ou ricnio em sistemas que trabalham em

baixas temperaturas j foi muito difundido. A razo era que tais fluidos podiam ser utilizados

com juntas e vedaes de borracha natural, sem deteriorao das mesmas. Como as atuais

vedaes a base de elastmeros possuem melhores caractersticas em baixas temperaturas,

esta vantagem no mais levada em conta, embora fluidos a base de leos vegetais ainda

sejam utilizados em determinados sistemas (por exemplo, como fluido de freio para veculos)

(IPIRANGA, 1988).

Os fluidos a base de leos vegetais oferecem a vantagem de possurem um elevado

coeficiente volumtrico (baixa compressibilidade), sendo indicados para aplicaes onde

existam presses muito elevadas. Tambm so bons lubrificantes, ainda que no melhores que

os leos minerais ou sintticos (IPIRANGA, 1988).

2.3.3 Seleo de fluidos hidrulicos

A seleo correta de um fluido hidrulico para um determinado sistema, deve-se

basear no conhecimento prvio do tipo de bomba, nas condies de funcionamento,

caractersticas operacionais e de projeto e aplicaes do sistema. Normalmente, os fabricantes

dos sistemas hidrulicos j determinam em projeto o tipo e as caractersticas que o fluido

dever possuir para fazer o sistema funcionar em condies ideais. Na prtica, devido s

condies ambientais, operacionais e de manuteno, torna-se necessrio adequar o fluido

para se obter melhor rendimento.

As caractersticas dos fluidos tm um importante efeito sobre a seleo do fluido

adequado, sendo que cada caracterstica particular de um determinado fluido pode alterar ou

influenciar as condies de projeto, operao, manuteno e rendimento global dos sistemas.

Os principais requisitos que um fluido hidrulico deve possuir so (IPIRANGA, 1988):

a) Boa fluidez a baixas temperaturas;

b) No se inflamar em altas temperaturas;

c) Ter a mnima variao de viscosidade com a temperatura;

d) Proteger superfcies metlicas contra a corroso e ferrugem;

20

e) Ser quimicamente estvel;

f) Lubrificar e proteger contra o desgaste as partes em movimento;

g) Ser compatvel com os materiais componentes do sistema;

h) Alto coeficiente de transferncia de calor;

i) Custo acessvel;

j) Separar-se com facilidade da gua;

k) No formar espuma;

l) Liberar o ar absorvido rapidamente;

m) No ser txico ou poluente.

A considerao bsica na seleo de um fluido hidrulico a sua qualidade,

conforme aspectos citados acima. Deve manter-se por um longo perodo em servio e possuir

caractersticas que reduzam a manuteno e aumentem o desempenho do sistema. A qualidade

do fluido fundamental nas instalaes criticas e de alta confiabilidade; em instalaes no

criticas e onde existam grandes perdas, a utilizao de um fluido mais econmico ou com

caractersticas intermedirias, pode ser a escolha mais adequada.

2.3.3.1 Caractersticas fsico-qumicas para a seleo de um fluido hidrulico

As caractersticas fsicas qumicas mais importantes para a seleo de um fluido

hidrulico so viscosidade, ndice de viscosidade, estabilidade oxidao, demusibilidade,

proteo antidesgaste, baixo ponto de fluidez, proteo contra corroso e ferrugem

(IPIRANGA, 1988).

VISCOSIDADE: a medida da resistncia oferecida por qualquer fludo (lquido ou gs) ao

movimento ou ao escoamento. a propriedade principal de um lubrificante, pois est

diretamente relacionada com a capacidade de suportar cargas, ou seja, quanto mais viscoso for

o leo, maior ser carga suportada. A viscosidade a conseqncia do atrito interno de um

fludo, isto , da resistncia que um fludo oferece ao movimento, da a sua grande influncia

na perda de potncia e na intensidade de calor produzido nos mancais. A viscosidade de um

leo varia com a temperatura, sendo inversamente proporcional mesma (LUBRINORTE,

2005). O fluido deve ter uma viscosidade alta o suficiente para prover uma lubrificao

21

adequada em temperaturas elevadas, sem causar funcionamento irregular do sistema pela

perda de carga excessiva atravs dos componentes. Deve ter uma viscosidade baixa o

suficiente para permitir um fluxo adequado nas partidas a baixas temperaturas e penetrar entre

as folgas dos componentes para lubrific-los sem causar perdas por vazamentos ou cavitao

na aspirao da bomba. Como referncia, a classificao de viscosidade ISO referente a leos

industriais estabelece uma srie de 18 graus de viscosidade cinemtica a 40C. Os nmeros

que designam cada grau de viscosidade ISO representam um ponto mdio de uma faixa de

viscosidade (Tabela 3).

A faixa de temperatura de operao de um fluido hidrulico varia entre 15 a 65C. Se

o fluido submetido a temperaturas fora desta faixa, recomenda-se usar um aquecedor ou

resfriador no sistema. O ideal manter o fluido numa temperatura em torno de 40C. Como

orientaes gerais so recomendados e aceitos pela maioria dos fabricantes de bombas

hidrulicas, os limites de viscosidade, mostrados na Tabela 4.

Tabela 3 - Classificao de leos industriais (viscosidade)

Limite de Viscosidade cSt a 40C Limite de Viscosidade cSt a 40C Grau de viscosidade ISO VG

Min Max

Grau de viscosidade ISO VG

Min Max

2 1,98 2,42 68 61,2 74,8

3 2,88 3,52 100 90 110

5 4,14 5,06 150 135 165

7 6,12 7,48 220 198 242

10 9 11 320 288 352

15 13,5 16,5 460 141 506

22 19,8 24,2 680 612 748

32 28,8 35,2 1000 900 1100

46 41,4 50,6 1500 1350 1650

Fonte: IPIRANGA, 1988

Tabela 4 - limite de viscosidade do fluido em bombas hidrulicas

Mnima viscosidade do fluido na temperatura de operao 10 cSt

Mxima viscosidade do fluido na temperatura de operao

Bombas de pistes 65 cSt

Bombas de engrenagens 215 cSt

Mxima viscosidade do fluido na temperatura de partida

Bombas de pistes axiais 215 cSt

Bombas de pistes radiais, de engrenagens e de palhetas 860 cSt

Fonte: IPIRANGA, 1988

22

O NDICE DE VISCOSIDADE: um valor numrico que indica a variao da viscosidade

em relao variao de temperatura. Fluidos com alto ndice de viscosidade possuem uma

pequena variao da viscosidade com a temperatura. O ndice de viscosidade tem grande

importncia para fluidos que trabalham em sistemas que no possuem um controle adequado

ou que esto sujeitos a grandes variaes de temperatura (IPIRANGA, 1988).

ESTABILIDADE OXIDAO: oxidao a causa principal da deteriorao qumica de

um leo mineral ou sinttico. A oxidao ativada pelo calor, pela reao do oxignio do ar

(acelerada com a agitao do fluido) e pela presena de contaminantes e partculas metlicas,

que podem atuar como agentes catalisadores. A resistncia de um leo mineral oxidao

varia muito conforme o tipo de leo bsico utilizado e os tratamentos de refino que ele recebe.

Para uma longa vida em servio, livre de problemas operacionais e de manuteno, um alto

grau de estabilidade oxidao essencial num bom fluido hidrulico (IPIRANGA, 1988).

DEMULSIBILIDADE: a capacidade que um fluido tem de se separar rapidamente da gua.

Um fluido hidrulico deve possuir boa demulsibilidade, para que a gua livre presente no

sistema possa ser drenada. gua no sistema hidrulico provoca ferrugem e corroso dos

componentes, alm de causar a separao dos aditivos, diminuindo a vida til do fluido.

(IPIRANGA, 1988).

PROTEO ANTIDESGASTE: o fluido hidrulico deve lubrificar as partes em movimento

dos componentes do sistema e reduzir o seu desgaste (IPIRANGA, 1988).

BAIXO PONTO DE FLUIDEZ: a menor temperatura na qual o fluido escoa, denominada

ponto de fluidez. Em condies de operao em baixas temperaturas, um fluido hidrulico

deve manter satisfatoriamente sua fluidez, a fim de no se congelar ou causar restries a

circulao da bomba aos componentes de trabalho. Para esta propriedade do fluido, deve-se

levar em considerao a menor temperatura na qual o sistema ir operar e a ento selecionar

um leo hidrulico com ponto de fluidez inferior a esta temperatura (IPIRANGA, 1988).

PROTEO CONTRA A CORROSO E A FERRUGEM: muito difcil manter um

sistema hidrulico convencional livre da gua e de outros contaminantes. A maioria dos

sistemas possui componentes feitos de materiais ferrosos, que tem tendncia oxidao e aos

ataques corrosivos sob certas condies, ocasionando muitos problemas ao funcionamento do

sistema. Os leos minerais, entre todos os fluidos, so os que possuem as melhores

caractersticas de preveno da corroso e ferrugem (IPIRANGA 1988).

Para o acionamento de sistemas hidrulicos de fixao de peas no processo de

usinagem seriada, utilizado leo hidrulico mineral, sem aditivos. Esse leo selecionado

23

partindo das caractersticas da tabela 5 abaixo. Destaca-se ainda a caracterstica que a maioria

dos atuadores hidrulicos (bombas) projetada para trabalhar com esse tipo de fluido.

Tabela 5 Caractersticas de fluidos

Fluido Preo Viscosidade Caractersticas lubrificantes

Ponto de ebulio Rendimento

gua Muito baixo Muito Baixa Muito Baixo Muito Baixo Muito Baixo

Emulses de gua em leo Baixo Baixa Baixo Baixo Baixo

leos minerais Baixo Alta Alto Alto Alto

Emulses de leo em gua Baixo Baixa Muito Baixo Baixo Baixo

Fluidos sintticos Alto Alta Alto Alto Alto

Fluidos de silicone Muito Alto Muito Alta Alto Muito Alto Muito Alto

leos vegetais Baixo Alta Alto Baixo Baixo

Fonte: O Autor

2.4 VEDAO

Dentre os inmeros tipos e variedades de borrachas existentes no mercado brasileiro,

caracteriza-se a borracha nitrlica como a mais utilizada nos diversos setores da atividade

industrial.

uma borracha sinttica obtida da polimerizao de Butadieno com o Nitril Acrlico.

O termo Buna vem das iniciais de Butadieno e Nitrium (sdio), matria prima e catalisador no

processo original. Recomenda-se o uso de Buna-N nas vedaes em geral, leos base de

graxa, gua, leo de silicone, lubrificantes base de ster, fluidos base de etileno glicol,

freon 11 e 12, GLP e gasolina (SAE J120R Classe 1) (GRUPO WEB MASTER, 2005).

A borracha nitrlica comeou a ser usada pela indstria devido a uma srie de

solicitaes. Com a II Guerra Mundial, praticamente toda a produo ficou canalizada para

fins militares, e hoje abrange todo parque industrial na fabricao de peas. A principal

caracterstica destes elastmeros sua resistncia ao leo. Esta resistncia refere-se

capacidade do produto vulcanizado em conservar suas propriedades fsicas originais tais como

tenso de ruptura, resistncia abraso e estabilidade dimensional quando em contato com

leos e combustveis de modo geral. Esses elastmeros nitrlicos, pelas suas caractersticas,

so usados numa linha muito varivel de produtos, como: mangueiras para leos e solventes,

retentores, gaxetas, juntas, tubos, anis o-ring, revestimentos de cilindros e de tanques (RED,

2005). Quando misturados com PVC, apresentam propriedades interessantes para artigos que

24

requerem resistncia a leos, a intempries e a abraso. A associao com PVC positiva,

dado que as borrachas nitrlicas so de natureza polar e servem como adesivos de pea de

PVC entre si e de PVC com metal e colagem de sapatos. Estas misturas so resistentes ao

oznio e s intempries e apresentam maior brilho nos extrudados e moldados, bem como

permitem obter cores brilhantes, alm de resistirem abraso e a leos. Os vulcanizados de

borracha nitrlica so apropriados para desempenhos at 121C sob uso contnuo e em

determinadas condies (imerso em leo e ausncia de ar) (ANEIS RCS, 2005).

Para o bom desempenho dos vedadores, de extrema importncia, na especificao

de seu material que o mesmo seja compatvel com o fluido a ser vedado e que a temperatura

de trabalho no ultrapasse os valores admissveis.

importante lembrar que nos vedadores dinmicos, no lbio de vedao h um

acrscimo de temperatura provocado pelo atrito entre o lbio e a superfcie deslizante, que

para este projeto ser considerado irrelevante, visto que o movimento do cilindro na camisa

de pequeno curso e no chega a provocar aquecimentos significativos nos componentes.

Em sistemas onde o fluido a ser vedado no tem caractersticas de lubrificao

recomenda-se projetar uma fonte de lubrificao. Em certos sistemas prefervel que haja

uma pequena perda de lubrificante a deixar que o lbio de vedao trabalhe seco.

A dureza do lbio de vedao tambm afeta o desempenho dos vedadores, uma vez

que materiais com baixa dureza vedam mais facilmente em superfcies speras e melhor se

amoldam ao sistema, embora sejam sensveis ao desgaste, abraso e extruso. Portanto, a

dureza tem valor significativo na adaptao do material de vedao ao tipo de vedador ou

determinada aplicao.

Para a vedao do fluido ser utilizado o vedador oring. Este tipo de anel o mais

verstil de todos os vedadores e esto presentes na maioria dos sistemas de vedao. As

vedaes com este tipo de vedador podem ser estticas ou dinmicas, estando as dinmicas

sujeitas a movimentos alternativos, a movimentos rotativos ou a uma combinao de ambos.

So aplicados principalmente na hidrulica e na pneumtica. So confeccionados em borracha

nitrlica com dureza de 70 shore A, podendo trabalhar em temperaturas que variam de 50C

a +110C. Este tipo de vedao suporta presses de at 250bar.

25

2.5 ESCOLHA DE COMPONENTES COMERCIAIS

Os componentes que no so detalhados no projeto de fabricao (parafusos, esferas,

fluidos e vedaes), so comerciais e encontrados facilmente em lojas especializadas. A

escolha desses itens segue catlogos fornecidos pelos fabricantes dos respectivos produtos. Os

itens comerciais e padronizados foram definidos somente atravs de especificaes. O estudo

mais aprofundado deles no faz parte do escopo do trabalho.

No caso da vedao, a loja Anis RCS fornece catlogo especfico de todas as

dimenses necessrias para especificao do tamanho da vedao bem como as dimenses

dos alojamentos da vedao escolhida. Os anis o no exigem tolerncias construtivas dos

alojamentos muito apertadas, ficando geralmente na faixa de dcimo de milmetro. Esses

anis so fceis de encontrar no mercado e possuem um custo reduzido comparado com

demais vedaes.

O fluido hidrulico escolhido, leo mineral, tambm de fcil aquisio.

Comparando com demais fluidos hidrulicos (sintticos e de silicone) possui preo inferior e

atende a todas as exigncias do projeto (seo 2.3). Ressalta-se ainda que a maioria dos

componentes hidrulicos comerciais (cilindros, bombas, etc.) trabalha com esse tipo de fluido.

26

3 CILINDRO HIDRULICO

O cilindro hidrulico um conjunto composto de diversos itens, alguns comerciais

outros que necessitam ser fabricados. So eles:

Pisto (haste);

Camisa;

Tampa;

Parafusos de fixao;

Anis de vedao;

Esferas

A Figura 6 mostra uma imagem do conjunto montado e a uma vista de um corte no

centro desse.

Figura 6 Conjunto montado do cilindro hidrulico

Fonte: O Autor

27

3.1 DIMENSIONAMENTO

Todos os componentes do conjunto foram dimensionados partindo do pisto, que foi

definido em funo de dimetros de mbolos j existentes. Como a inteno projetar um

componente que possua a mesma funcionalidade que os existentes no mercado industrial,

tentou-se ao mximo manter as caractersticas dimensionais do cilindro com os padres

comerciais. No apndice desse trabalho esto todos os desenhos tcnicos dos cilindros.

O dimensionamento do pisto, que o componente que determina a fora de fixao

produzida pelo cilindro, baseou-se principalmente nos esforos produzidos pelo processo de

usinagem. Os principais fabricantes de cilindros hidrulicos trazem em seus catlogos as

cargas produzidas pelos seus cilindros. Foi baseado nessa informao, da necessidade de

fora, que foi dimensionado esse componente. Caractersticas como o curso do pisto e o giro

do mesmo ao se movimentar tambm seguiram exemplos j existentes. Neste componente

montado apenas um anel de vedao, que seguiu parmetros de catlogo do fabricante desse,

que alojado no mbolo do pisto. A funo deste anel a de impedir que ocorra qualquer

tipo de ligao entre a linha de presso e a linha de retorno (Figura 7).

Figura 7 Ilustrao do sistema de alimentao

Fonte: O Autor

28

Do funcionamento do componente, est previsto no pisto a usinagem de trs canais

que determinaro o giro do pisto durante seu movimento. A esfera est montada entre a

camisa e o pisto, sendo que nesse ela fica alojada dentro de um canal esfrico. Conforme o

fluido injetado na cmara (presso ou retorno) da camisa, a esfera far com que o pisto gire

seguindo o canal. Dependendo da necessidade pode-se montar a esfera em um dos trs canais,

escolhendo a melhor configurao em funo da sua aplicao (ver Figura 8).

Figura 8 Giro do pisto

Fonte: O autor.

A camisa do cilindro foi dimensionada a partir do pisto. Como a funo da mesma

alojar as galerias de alimentao do fluido e servir como guia do pisto, tentou-se compactar

ao mximo as suas dimenses externas. Neste componente esto os furos por onde passa o

fluido, o alojamento da esfera de giro, anel de vedao da haste do pisto, esferas de vedao

e furos de fixao do cilindro para o dispositivo.

A tampa foi projetada com a funo de isolar a galeria interna da camisa com o meio

externo. por meio desse componente que feita a alimentao do cilindro. A fixao da

tampa camisa do cilindro feita por meio de parafusos comerciais.

3.2 SELEO DO MATERIAL DOS COMPONENTES

A seleo do material aplicado aos componentes foi definida levando em

considerao a necessidade especifica de cada item. Isto envolve caractersticas como, custo e

29

disponibilidade mais favorveis, para incorpor-los num projeto que seja seguro, confivel e

compatvel com a necessidade de cada um.

Alm disso, foram levados em considerao propriedades como tratamento trmico,

tratamento superficial, resistncia mecnica, etc.

3.2.1 Material do Pisto

Para o pisto algumas caractersticas foram consideradas como principais, para a

seleo correta do material do qual o componente ser fabricado:

Resistncia abraso: como o pisto desliza no interior da camisa, o mesmo

deve ser construdo de um material resistente abraso e com determinada

dureza superficial, para proteger contra o desgaste por abraso e manter assim as

dimenses originais por um longo tempo de trabalho.

Resistncia mecnica: para este componente que o grampo que prende a pea

transfere todos os esforos. Para tanto, a haste do cilindro deve ter uma boa

resistncia trao, flexo e ainda uma dureza superficial elevada, para que ao

fixar o grampo o mesmo no crave na haste nem a deforme.

Boa usinabilidade: esta caracterstica importante para todos os componentes do

elemento, j que todas as peas sero usinadas e est sendo visado um

componente de baixo custo (inclusive de produo).

Tratamento trmico: para se atingir a dureza superficial admitida, o cilindro deve

passar por um processo de cementao (tratamento termoqumico em que se

promove o enriquecimento superficial com carbono), dando assim maior dureza

a camada superficial do mesmo. Com isso consegue-se uma maior resistncia

abraso.

Deformao: como durante o processo de usinagem o componente est sob

foras de trao, o mesmo deve ter a resistncia necessria para no se deformar

durante o processo.

A Tabela 6 a seguir mostra os aos recomendados para cementao, suas principais

caractersticas e a aplicao.

30

Tabela 6 Descrio de aos para cementao.

Qualidades

Equivalentes Caractersticas Aplicaes

ABNT 4320; AISI

4320; SAE 4320

Boa forjabilidade e soldabilidade e m

usinabilidade. Aplicado na cementao.

Temperabilidade alta, tenaz, utilizado em

pinhes, coroas dentadas, cruzetas, capas de

rolamento, terminais de direo.

ABNT 8620; AISI

8620; SAE 8620

Boa temperabilidade e usinabilidade. Possui

tima forjabilidade e soldabilidade. Ncleo

tenaz aps cementao. Dureza na condio

temperada varia de 37 a 43 HRc.

Engrenagens, eixos, parafusos, buchas,

acoplamentos, rolamentos de rolos, pinas

para mquinas-ferramenta, cruzetas, pinos

de pisto, diferenciais.

DIN 16MnCr5;

ABNT 5115 Mdia temperabilidade. Forjvel e soldvel. Endurecimento superficial, eixo ranhurado.

DIN 20MnCr5;

ABNT 5119

Boa temperabilidade e usinabilidade. Possui

tima forjabilidade e soldabilidade.

Nos casos em que se deseja endurecimento

superficial por cementao.

Fonte: GERDAU, 2005.

Levando em considerao as informaes citadas foi desconsiderada a aplicao do

ao ABNT 4320 devido sua m usinabilidade. O ao ABNT 5115 e ABNT 5119 foram

descartados devido ao elevado custo de aquisio ao se comparar com o ao ABNT 8620.

Dentre os aos citados foi escolhido o ao ABNT 8620 devido sua boa usinabilidade,

facilidade de encontrar no mercado e, em comparao com os demais, o baixo custo de

aquisio. A Tabela 7, a seguir, ilustra a composio qumica deste tipo de ao.

Tabela 7 - Composio qumica do ao ABNT 8620

Elemento qumico Porcentagem na composio qumica

Carbono C 0,18 a 0,23%

Mangans Mn 0,70 a 0,90%

Fsforo mximo P 0,035%

Enxofre mximo S 0,040%

Silcio Si 0,15 a 0,35%

Nquel Ni 0,40 a 0,70%

Cromo Cr 0,40 a 0,60%

Molibdnio Mo 0,15 a 0,25%

Fonte: LAMOTERMIC, 2005

31

Segundo a classificao ABNT NBR NM87/2000 este tipo de ao est classificado

como um ao cromo-nquiel-molibdnio de baixa liga, pois possui menos que 0,25% de

carbono em sua composio qumica. Este tipo de ao recomendado quando h a

necessidade de cementao, que aumenta a dureza superficial do material. Dentre os mtodos

para a transformao de superfcies de materiais metlicos, com o intuito de lhes atribuir

maior desempenho quanto ao desgaste, os mtodos difusivos so, sem dvida, os mais usados

e conhecidos no meio industrial. Entre esses mtodos encontra-se o processo de cementao.

3.2.2 Material da Camisa e Tampa

A camisa do cilindro um dos componentes que no exige especificidades com

relao a esforos mecnicos. Isso porque o componente que estar recebendo diretamente o

esforo de fixao o pisto. camisa cabe a funo de alojar o fluido de alimentao e

servir como guia de deslizamento para o pisto. Na mesma condio de resistncia se

encontra a tampa do cilindro.

Para esses componentes foi escolhido como material de fabricao o ao ABNT

1045. Segundo a classificao quanto composio, este tipo de ao considerado de mdio

carbono, pois tem em sua estrutura qumica um percentual de carbono entre 0,3 e 0,5%.

(CALLISTER, 2002). Possui uso geral em aplicaes que exigem resistncia mecnica

superior ao ao ABNT 1020. Possui tenso de escoamento entre 600 e 950MPa e dureza

Brinell entre 179 e 280, quando laminado a frio e retificado. A Tabela 8 a seguir caracteriza a

composio qumica deste tipo de ao.

Tabela 8 - Composio qumica do ao ABNT 1045

Elemento qumico Porcentagem na composio qumica

Carbono C 0,43 a 0,50%

Mangans Mn 0,60 a 0,90%

Fsforo mximo P 0,04%

Silcio Si 0,10 a 0,35%

Fonte: INTERLLOY, 2005

32

Esses componentes no so submetidos a nenhum tipo de tratamento trmico com a

finalidade de melhor as propriedades mecnicas do material. previsto apenas um tratamento

superficial anticorrosivo: oxidao negra a quente.

3.3 ESFOROS SOBRE OS COMPONENTES

O cilindro de fixao est submetido a cargas quando acionado. Quando for

alimentado com o fluido, o mesmo tende a se movimentar at achar algum ponto fixo de

resistncia, e a ento sofre esforo. O clculo dos esforos aos quais o componente est

submetido est dividido em duas etapas, clculos de esforos estticos e esforos dinmicos.

Como o componente exerce sua funo quando est em sua condio esttica, as anlises

foram realizadas mais profundamente sobre essa situao.

3.3.1 Esforos Estticos

A Figura 9 (pg. 33) exemplifica o pisto isolado do restante do conjunto. Quando o

conjunto est sob regime de fixao (quando a alimentao feita na parte superior do

mbolo) o esforo considerado na rea do mbolo e da haste (diferena de dimetros).

nesta condio que o mesmo sofrer maior esforo e nesta condio tambm que o

componente ir trabalhar (fixao de peas).

O Grfico 1 mostra os resultados dos esforos de fixao em funo da presso de

alimentao bem como a relao com o dimetro do embolo do cilindro. Por exemplo, o

cilindro 30x20 refere-se a um cilindro hidrulico com o mbolo do pisto com dimetro de 30

milmetros e com uma haste do pisto com dimetro de 20 milmetros.

Para a construo do grfico fora de fixao versus presso de alimentao, foi

desconsiderada a parte de ligao do cilindro fonte de alimentao (mangueiras, conexes,

vlvulas, etc.) que poderia gerar eventuais perdas de carga durante o trabalho. Uma vez isso

definido, foi levado em considerao que trata-se de uma funo linear (terica) partindo da

equao que a fora de fixao ser igual ao produto entre a rea de contato do fluido

(diferena de dimetros entre a haste e o mbolo) e a presso de alimentao (ver equao 4,

pgina 37). Neste projeto, foram desenvolvidos trs modelos de cilindros (30x20, 50x25 e

60x30), variando a relao entre dimetro do mbolo e dimetro da haste.

33

Grfico 1 - Fora de fixao versus presso de alimentao

Grfico Fora versus Presso

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300

Presso (bar)

Fora (N)

Cilindro 30x20

Cilindro 50x25

Cilindro 60x30

Fonte: O Autor

Figura 9 - Haste do cilindro

Fonte: O Autor

34

A equao 4 utilizada para calcular a fora de fixao proporcionada pelo pisto

em funo da presso hidrulica de alimentao.

( )4

122 = didePF (4)

onde:

F = fora de fixao [N]

P = presso [MPa]

de= dimetro do embolo do cilindro [mm]

di= dimetro da haste do cilindro [mm]

Fazendo os clculos para o cilindro 60x30 com uma alimentao de 30MPa de

presso temos o resultado obtido na equao a seguir:

( ) NF 37,615.634

1306030 22 ==

A tenso sobre o componente pode ser descrita pela equao 5:

A

F=

(5)

onde:

= tenso no componente [MPa]

F = fora de fixao [N]

A = rea da seo analisada [mm2]

A equao a seguir mostra os clculos:

90

4

30

37,636152

=

=

MPa

O clculo do coeficiente de segurana encontrado com a equao 6 para a

aplicao. Para o ao SAE 8620 e SAE 1020 tem-se que tenso mxima trao )( max igual

a 393MPa (BEER,1995).

max=CS

(6)

35

Onde:

CS = coeficiente de segurana

Gerando assim, o resultado mostrado na equao a seguir:

36,490

393==CS

A Figura 10 mostra o crculo de Mohr para o componente avaliado 60x30, que

utilizado para avaliar as tenses mximas no elemento, bem como as tenses nos planos

principais.

Figura 10 - Crculo de mohr para cilindro 60x30

Fonte: O Autor

O clculo da fora de fixao sobre o componente do cilindro 50x25 utilizando a

equao 4 considerando a mesma presso de alimentao (30MPa), pode ser observado na

equao a seguir:

36

( ) NF 34,177.444

1255030 22 ==

Com o resultado e utilizando a equao 5 obtemos:

90

4

25

34,441772

=

=

MPa

Clculo do coeficiente de segurana para a aplicao, utilizando a equao 6.

37,490

393==CS

A Figura 11 a seguir mostra o crculo de Mohr para o componente avaliado 50x25,

que utilizado para avaliar as tenses mximas no elemento, bem como as tenses nos planos

principais.

Figura 11 - Crculo de mohr para cilindro 50x25

Fonte: O Autor

37

Clculo da fora de fixao sobre o componente do cilindro 30x20 utilizando a

equao 4 considerando a mesma presso de alimentao (30MPa).

( ) NF 63,780.114

1203030 22 ==

Utilizando a equao 5 obtemos:

50,37

4

20

63,117802

=

=

MPa

Clculo do coeficiente de segurana para a aplicao, utilizando a equao 6.

48,1050,37

393==CS

A Figura 12 a seguir mostra o crculo de Mohr para o componente avaliado 30x20.

Figura 12 - Crculo de mohr para cilindro 30x20

Fonte: O Autor

38

Para o regime de liberao do cilindro, que quando o mesmo avana em sentido a

liberar a pea fixada, os esforos no so considerveis para o dimensionamento do pisto, j

que esta carga ser til apenas para a movimentao do cilindro, a no ser para o

dimensionamento da camisa. Nessa condio, o fluido est exercendo uma carga no fundo do

mbolo com fora igual :

4

2 = e

dPF

(7)

onde:

F = fora [N]

P = presso de alimentao [MPa]

ed = dimetro do mbolo [mm]

Os esforos sobre a camisa do cilindro, so considerados tenses em vasos de

presso de paredes finas. Como as paredes tm pequena espessura, elas oferecem pequena

resistncia flexo, e pode-se considerar que os esforos internos que atuam em certa poro

da parede so tangentes superfcie do vaso (camisa). Desse modo, as tenses resultantes no

elemento de parede esto contidas em um plano tangente superfcie do vaso de presso.

Assim as tenses principais em um vaso de presso so chamadas de tenso tangencial )( 1 e

tenso longitudinal )( 2 (BEER, 1995).

t

rP =1

(8)

t

rP

=22

(9)

Onde:

P = presso [MPa]

r = raio da circunferncia interna do tubo [mm]

t = espessura da parede do tudo [mm]

Como mostrado pelas equaes 8 e 9, a tenso longitudinal a metade da tenso

tangencial. Por isso, para fins dimensionais, foi considerada apenas a tenso mais crtica, que

no caso a tenso tangencial.

39

Os parafusos utilizados na fixao da tampa na camisa do cilindro foram avaliados

com relao resistncia a trao; trao essa ocasionada no momento em que o cilindro

alimentado na linha de retorno. Nessa situao os parafusos devem ser resistentes o suficiente

para suportarem a carga provocada pela relao da presso de alimentao pelo dimetro de

vedao da tampa. As equaes utilizadas para o clculo de resistncia dos parafusos foram

extradas de NORTON, 2004.

2

24

+=drdp

At

(10)

Onde:

At = rea total sob trao [mm2]

pddp = 649519,0

pddr = 226869,1

d = dimetro externo [mm]

p = passo [mm]

At

Lt =

(11)

=t tenso no parafuso [MPa]

L = carga axial de trao [N]

A tabela 9 ilustra a resistncia de parafusos ISO classe 12.9.

Tabela 9 Resistncia de parafusos ISO classe 12.9

Dimetro Externo Resistncia At [mm2] Passo [mm]

5 mm 970 MPa 14,18 0,8

6 mm 970 MPa 20,12 1,0

8 mm 970 MPa 28,86 1,25

Fonte: NORTON, 2004

A fora de trao para nos parafusos de fixao da tampa obtida pela equao 12.

40

ArPF =max (12)

Onde:

Fmax = fora de retorno [N]

P = presso do fluido [MPa]

Ar = rea do mbolo [mm2]

Aplicando a equao 12 para o cilindro de 30x20, com uma presso de 30MPa no

fundo do mbolo, tem-se:

NF 125,21205max =

Aplicando quatro parafusos M5 classe 12.9 para a fixao, utilizando os dados da

tabela 8, obtemos:

18,144 =At

272,56 mmAt =

At

Fmax= (13)

Onde:

= tenso no parafuso [MPa]

At = rea total sob trao [mm2]

Fmax = fora de retorno [N]

72,56

125,21205=

MPa86,373=

Para o clculo do coeficiente de segurana dos parafusos, tem-se:

max=CS (14)

41

Onde:

CS = coeficiente de segurana

=max resistncia [MPa]

= tenso no parafuso [MPa]

86,373

970=CS

59,2=CS

Aplicando os mesmos clculos para o cilindro 50x20, utilizando seis parafusos M6

classe 12.9, tem-se:

ArPF =max (15)

NF 125,58903max =

12,206 =At

272,120 mmAt =

At

Fmax=

(16)

72,120

125,58903= = 487,93MPa

max

=CS (17)

98,193,487

970==CS

Aplicando os mesmos clculos para o cilindro 60x30, utilizando seis parafusos M8

classe 12.9, tem-se:

NF 5,84820max =

86,286 =At = 173,16 mm2

At

Fmax= (18)

42

16,173

5,84820= = 489,83MPa

max=CS

(19)

98,183,489

970==CS

3.3.2 Esforos Dinmicos

Os esforos dinmicos so considerados para a determinao do nmero de ciclos

que o componente pode estar repetindo entre o soltar e o fixar. Variveis como o tempo que

leva para que o cilindro seja acionado depende da velocidade do fluxo na entrada do fluido no

componente, ou seja, a vazo da bomba que est alimentando o circuito hidrulico.

As determinaes dinmicas so de extrema importncia para o conhecimento das

possveis falhas que podem ocorrer no cilindro. A falha avaliada neste projeto a fadiga.

A fratura por fadiga resulta do desenvolvimento progressivo de uma trinca sob a

influncia de aplicaes repetidas de tenses, que so consideravelmente inferiores tenso

capaz de provocar fratura sob cargas monotonicamente crescente ou mesmo com valores

nominais inferiores ao limite de escoamento do material.

Como a funo do cilindro estar frequentemente sob carga alternada, variando de

zero tenso mxima de trao, h a necessidade dessa determinao. Classifica-se como

falha por fadiga qualquer falha devido a cargas variantes no tempo (NORTON, 2004). As

equaes apresentadas nesse captulo para clculo de resistncia fadiga foram todas

retiradas da bibliografia Elementos de Mquina (NORTON, 2004).

Para o material selecionado, como sua resistncia trao (Sut) inferior 1400MPa,

considera-se que a resistncia fadiga terica (Se) igual metade de Sut.

ute SS = 5,0' (20)

3935,0' =eS =196,5 MPa

Diferenas de temperatura e de meio ambiente entre as condies do ensaio e as

condies a que a pea estar submetida no futuro devem ser levadas em considerao. Esses

43

e outros fatores esto incorporados dentro de um conjunto de fatores de reduo da

resistncia, que so multiplicados pela estimativa terica para se obter a resistncia fadiga

corrigida ou o limite de fadiga corrigido para uma aplicao em particular.

'sup econftemperftamanhocarrege SCCCCCS = (21)

Onde:

Se = limite de fadiga corrigido [MPa]

Ccarreg = fator devido solicitao

Ctamanho = fator do tamanho

Csuperf = fator de superfcie

Ctemp = fator de temperatura

Cconf = confiabilidade

Para a haste do cilindro, que o componente que est sendo avaliado dinamicamente,

tem-se os seguintes dados considerando que o componentes est sob fora normal, dimetro

da seo analisada entre 8mm e 250mm, acabamento retificado, temperatura do componente

inferior 450C e confiabilidade de 99% assumindo desvio padro igual a 8% da mdia

(NORTON, 2004).

Ccarreg = 0,7 (22)

097,0189,1 = dCtamanho (23)

b

uterf SAC )(sup = (24)

A = 1,58 (25)

b = -0,085 (26)

95,0sup =erfC (27)

Ctemp = 1 (28)

Cconf = 0,814 (29)

A tabela 10 mostra os valores para o fator do tamanho e limite de fadiga corrigido

para cada tamanho de cilindro considerado.

44

Tabela 10 Fator do tamanho e limite de fadiga corrigido

Cilindro tamanhoC eS [MPa]

30x20 0,889 94,578

50x25 0,870 92,553

60x30 0,855 90,93

Fonte: O autor.

Para o clculo do nmero de ciclos de vida para os cilindros utiliza-se a equao 63

(NORTON, 2004).

utm SS = 75,0 (30)

Onde:

Sm = Resistncia do material a 103 ciclos

Sut = Limite de resistncia do material trao.

Para o material selecionado, o valor Sm ser igual 294,75 MPa.

bn NaS = (31)

Onde a e b so constantes definidas pelas equaes 32 e 33 respectivamente

(NORTON, 2004).

( ) ( ) bSa m = 3loglog (32)

=

e

m

S

Sb log

3

1

(33)

Aplicando as equaes 32 e 33, obtm-se os dados ilustrados pela tabela 11 abaixo.

Tabela 11 Constantes para clculo de resistncia fadiga

Cilindro a b

30x20 2,9629 -0,1645

50x25 2,9737 -0,1681

60x30 2,98 -0,1702

Fonte: O autor.

45

Baseado nos resultados obtidos e na curva S-N gerada, conclui-se que quando o

componente estiver sob esforo de trao com valor inferior ao valor Se do grfico, esse

apresenta uma vida infinita. Quando o esforo for maior, o clculo do nmero de ciclos

obedece equao 31 e considerando os coeficientes calculados.

O Grfico 2 ilustra a curva S-N estimada para o cilindro. Como no existe uma

diferena significativa entre os valores de Se, a estimativa serve para os trs cilindros

hidrulicos.

Grfico 2 Curva S-N estimada para o pisto

Fonte: O Autor

46

4 ANLISE DE RESULTADOS

Os clculos realizados sobre os componentes comprovam que os mesmos esto bem

dimensionados para resistir s solicitaes do projeto. Isso pode ser confirmado avaliando os

coeficientes de segurana encontrados nas anlises estticas dos componentes.

O componente do conjunto que recebe os maiores esforos o pisto. Foram feitas

anlises utilizando software de CAE CosmosXpress nos pistes dos trs modelos de cilindros,

onde foram avaliadas as regies onde h o maior acmulo de tenso utilizando o critrio de

Von Mises, e qual o comportamento da deformao dos mesmos.

As anlises CAE realizadas possuem efeito apenas de comparao e verificao de

falhas e a influncia da carga sobre o componente, para que seja possvel localizar as regies

mais solicitadas.

Os resultados obtidos com as anlises feitas pelo COSMOSXpress esto baseadas

considerando que:

O material isotrpico;

O comportamento do material linear e segue a lei de Hooke;

Os deslocamentos induzidos so pequenos o bastante para ignorar mudanas

na dureza devido ao carregamento;

Efeitos dinmicos foram ignorados uma vez que as cargas foram aplicadas

lentamente

Para todas as anlises foi considerado que o pisto est fixo na sua face superior e

recebe uma carga de 30MPa no seu mbolo, tracionando o mesmo simulando a fixao de

uma pea durante o processo de usinagem (Figura 13).

O critrio de Von Mises, ou critrio da mxima energia de distoro, se baseia na

determinao da energia de distoro de certo material, quer dizer, da energia relacionada

com mudanas na forma do material. Por esse critrio um componente estrutural estar em

condies de segurana enquanto o maior valor de energia em distoro por unidade de

volume de o material permanecer abaixo da energia de distoro por unidade de volume

necessria para provocar o escoamento no corpo de prova de mesmo material submetido a

ensaio de trao (BEER, 1995).

47

Figura 13 Consideraes de anlise esttica.

Fonte: O Autor

Na anlise do COSMOSXpress foram aplicadas as seguintes caractersticas para o

material ao liga SAE 8620 (Tabela 12):

Tabela 12 Caractersticas do ABNT 8620 para CAE

Propriedade Valor Unidade

Mdulo de Elasticidade 210 GPa

Coeficiente de Poisson 0,28 -

Densidade do Material 7700 Kg/m3

Tenso de Escoamento 351 MPa

Fonte: GERDAU, 2005

Para a anlise dos pistes foram considerados os dados da Tabela 13 para a anlise

CAE.

Parte fixa

30 MPa

48

Tabela 13 Caractersticas para anlise CAE

Cilindro 30x20 50x25 60x30

Tipo de Malha Malha Slida Malha Slida Malha Slida

Tamanho do Elemento 3,7943 mm 4,6 mm 5,3276 mm

Tolerncia 0,18971 mm 0,23 mm 0,26638 mm

Qualidade Alta Alta Alta

Nmero de Elementos 13.386 20.012 18.907

Nmero de Ns 20.186 29.265 27.559

Tipo do Solucionador FFE FFE FFE

Massa 0,420189 kg 0,748788 kg 1,19356 kg

Volume 5,45701 . 10-5 m3 9,72452 . 10-5 m3 1,51084 . 10-4 m3

Material Ao Liga SAE 8620 Ao Liga SAE 8620 Ao Liga SAE 8620

Tipo de Modelo do Material Linear Elstico Isotrpico Linear Elstico Isotrpico Linear Elstico Isotrpico

Fonte: O Autor

A Figura 14 ilustra o resultado obtido com a anlise do comportamento da

deformao do pisto 30x20. Avaliando esta figura possvel localizar onde esto os pontos

com maior e menor deformao. A regio onde se tem a maior deformao exatamente onde

o fluido exerce sua funo principal, que empurrar o pisto para baixo. Na regio da face

superior do mbolo a deformao encontrada foi de 0,01267mm.

A Figura 15 traz a imagem gerada pela anlise de tenses no modelo 30x20. Esta

ilustrao revela que as maiores tenses superficiais esto na regio onde termina a haste e

comea o mbolo. Outro ponto de grande acmulo de tenses na rosca que localizada na

ponta da haste (furo superior). Como a utilizao desta rosca depende da aplicao do

componente que ser montado, no momento no ser considerado.

49

Figura 14 Deformao em pisto 30x20

Fonte: O Autor

Figura 15 Anlise de acmulo de tenso em pisto 30x20

Fonte: O Autor

50

A Figura 16 representa o resultado obtido com a anlise do comportamento da

deformao do pisto 50x25. Nela possvel localizar onde esto regies com maior e menor

deformao. A regio onde se tem a maior deformao exatamente onde o fluido exerce sua

funo principal, que empurrar o pisto para baixo. Na regio da face superior do mbolo a

deformao encontrada foi de 0,02703 mm. A Figura 17 foi determinada pela anlise de

tenses ainda no modelo 50x25. Essa imagem expe que as maiores tenses superficiais esto

na regio onde termina a haste e comea o mbolo, assim como o cilindro 30x20. A mesma

considerao feita com relao rosca.

Figura 16 Deformao em pisto 50x25

Fonte: O Autor

51

Figura 17 Anlise de acmulo de tenso em pisto 50x25

Fonte: O Autor

A Figura 18 mostra as deformaes no cilindro 60x30. Como nos demais cilindros, a

regio onde se tem a maior solicitao onde o fluido est exercendo sua funo. Nesse

modelo a deslocamento mxi