Análise e Projeto de Uma Máquina Didática DePDF

8º Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação 18 a 22 de maio de 2015, Salvador, Bahia, Brasil

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ANÁLISE, PROJETO E CONSTRUÇÃO DE UMA MÁQUINA DIDÁTICA

POR SOLDA A FRICÇÃO

Anderson Júnior Dos Santos, [email protected]

1

Diogo Azevedo De Oliveira, [email protected]

Klaus Higor Dos Santos Silva, [email protected]

Luiz Carlos Figueiredo, [email protected]

Natanael Geraldo e Silva Almeida, [email protected]

1Pontifícia Universidade Católica De Minas Gerais, Rua Rio comprido, 4.580, Prédio 2-CEP 32010-025-

Contagem/MG

Resumo: O presente artigo descreve o processo de soldagem por fricção convencional, especificando os respectivos parâmetros que fundamentam o projeto, análise e construção de uma máquina de solda por fricção didática. O

trabalho foi dividido em duas etapas, na primeira etapa foi realizada a conceituação teórica, projeto, análise e

metodologia de fabricação, a segunda etapa foi concluída com a fabricação e montagem do modelo didático. O

objetivo do trabalho consistiu em projetar e construir uma máquina didática de solda por fricção continua capaz de realizar solda de corpos de provas de materiais iguais e dissimilares, destacando a importância tecnológica das

técnicas de soldagem por atrito e divulgar as vantagens e desvantagens, aplicações e oportunidades que o processo

oferece aos profissionais do mercado.

Palavras-chave: Solda por fricção convencional, projeto, máquina didática por solda a fricção

1. INTRODUÇÃO

A soldagem por fricção surge como alternativa para a redução de custos e melhoramento do processo de soldagem,

visando também à segurança na operação. Com a possibilidade de solda de materiais similares e dissimilares. Na busca

por maior resistência mecânica na junta soldada, melhor qualidade da solda, desempenho, produtividade e economia,

este processo tem sido bastante utilizado na indústria automobilística, na fabricação de válvulas de escape, na indústria

aeronáutica com a fabricação de trens de pouso, e na indústria petrolífera com a fabricação de tubos de perfuração de

poços Fig. (1), etc.

Figura 1. Tubos de perfuração de poços de petróleo.

Soldagem por fricção é um processo que acontece no estado sólido, no qual a união é obtida através do

aquecimento e aplicação de pressão. O aquecimento ocorre pela geração de atrito entre as partes em contato, obtendo o

caldeamento, onde uma das peças mantém-se em rotação e a outra estacionária, concomitantemente há a atuação de

uma pressão axial de uma parte contra a outra. A soldagem por fricção apresenta diversas vantagens perante outros processos de união, dentre elas destacam-se:

a) o fato de não ser necessária atenção especial quanto a limpeza superficial, pois este processo tende a remover

películas contaminantes e elimina-las junto a rebarba;

b) a baixa possibilidade de falhas de descontinuidade, porosidade e segregação;

c) possibilidade de ser realizada em qualquer plano;

d) dispensar o uso de metais de adição e fluxo ou gás protetor;

e) o fato de não ter respingos, fumaça, faíscas (eliminando o risco de explosão), radiação ou riscos de problemas

elétricos envolvendo altas tensões, sendo assim um processo mais seguro;

f) a possível união de materiais dissimilares de difícil ou impossível soldagem por outros processos;



g) alta repetibilidade e produtividade;

h) menor custo em mão de obra, por não necessitar de operador qualificado.

E as principais desvantagens são:

a) limitações geométricas, ao menos uma das partes deve ser revolucionada em torno do eixo do plano de soldagem, as

geometrias típicas para esse processo são: barra com barra, barra com tubo, barra com chapa, tubo com tubo e tubo

com chapa; b) ao menos um dos materiais deve ser plasticamente deformável nas condições do equipamento;

c) o par em contato deve gerar calor por fricção, isso elimina alguns materiais;

d) o alinhamento das peças é fundamental para um aquecimento uniforme e uma solda com boa qualidade.

A construção de uma máquina didática de solda por fricção propõe divulgar esta técnica, que apesar de ser utilizada

em outros países desde a década de 60, ainda é pouco difundida no mercado brasileiro, que desconhecem as vantagens e

desvantagens, aplicações e oportunidades que o processo oferece.

A proposta é desenvolver um modelo didático para a Pontifícia Universidade Católica De Minas Gerais (PUC-

MINAS), que auxilie as aulas práticas de soldagem do laboratório. Este trabalho objetiva o projeto e construção de um equipamento capaz de realizar o processo de soldagem por

fricção em corpos de provas.

2. METODOLOGIA

A máquina projetada foi dimensionada a partir dos parâmetros do processo de soldagem, pré-estabelecidos

baseados em uma análise de testes realizados em diversos materiais Tab. (1) baseada em Brandi et al (1992),

considerando o maior valor obtido para a pressão da fase de forjamento, sendo este valor utilizado para o

dimensionamento dos componentes hidráulicos. O modelamento da estrutura e a simulação de solicitações de esforços

foram realizados por meio do software Solidworks. Lopez et al (2010) foi tido como referência no pré-projeto.

Tabela 1. Parâmetros do processo em barras de 25 mm de diâmetro.

A máquina didática de solda por fricção Fig. (2) é constituída de servo motor, caixa de rolamentos, pinça, porta

pinça, duas colunas guia, base do motor, base inferior, base móvel, buchas de bronze, cilindro hidráulico, mangueiras

hidráulicas, unidade hidráulica, válvulas direcionais e reguladoras de pressão.



Figura 2. Máquina didática solda por fricção, modelo fabricado pelos autores.

3. DESENVOLVIMENTO E AVALIAÇÃO DO PROJETO

Para o desenvolvimento do projeto do equipamento foram elaborados três modelos distintos Fig. (3) e consideradas

as análises de cargas, ergonomia e estudo da estrutura da máquina. De início foi desenvolvido o pré-projeto, onde o

cilindro era posicionado na parte superior da máquina, e a base se localizava no nível do chão. Após análise foi decidido

elevar a base inferior para uma melhor posição de trabalho por questões ergonômicas, foi constatado que ao colocar o

cilindro hidráulico na parte inferior da máquina seriam eliminados alguns componentes críticos do sistema e tensões de

flexão, com isso a máquina teria maior rigidez e estabilidade. O projeto final contém um painel de controle com melhor

disposição dos comandos e uma redução da capacidade máxima da máquina, com respectivas alterações no

dimensionamento.

Figura 3. Os três modelos distintos elaborados na fase de pré-projeto.

3.1 - Projeto da Estrutura

A estrutura é o “esqueleto” do equipamento, responsável por suportar todo o esforço decorrente do trabalho

realizado pelo cilindro e servo motor.

O torque produzido pelo servo motor, o esforço promovido pelo cilindro hidráulico e o peso de determinados

componentes, geram reações na estrutura do equipamento. A tensão admissível precisa ser superior às tensões

provocadas por estes esforços para não haver comprometimento do funcionamento do sistema e não ocorrer deformação

plástica na estrutura.

Para a simulação da estrutura, foi utilizado o software de simulação Solidworks. O material da estrutura é o aço

estrutural ASTM A36 que possui o limite de escoamento de 250 MPa. O carregamento a que a estrutura está submetida



foi baseada na carga aplicada pelo cilindro hidráulico, desconsiderando a carga de trabalho do servo motor que pode ser

considerada desprezível diante das dimensões do equipamento. A Figura 4 apresenta dados sobre a malha utilizada na

simulação.

Figura 4. Descrição da malha utilizada na simulação.

A Figura 5 apresenta o gráfico da tensão de Von Mises. O maior valor é de 90,955 MPa.

Figura 5. Distribuição da tensão de Von Mises.

A Figura 6 apresenta o gráfico de deformação. A maior deformação é de 0,0003mm.



Figura 6. Distribuição da deformação.

A Figura 7 apresenta o gráfico do fator de segurança. A estrutura possui o menor fator de segurança de 1,93.

Figura 7. Distribuição do fator de segurança.



A Figura 8 apresenta a imagem da verificação de fadiga.

Figura 8. Verificação de fadiga na estrutura.

Diante do estudo e dados de tensão de Von Mises, deformação, fator de segurança e verificação de fadiga, a

estrutura é capaz de suportar as cargas solicitadas, mantendo a integridade da mesma e o funcionamento do equipamento. Segundo o critério de Von Mises e as tensões apresentadas na Figura (5) os valores obtidos são inferiores

ao limite de escoamento, com isso a estrutura se manterá no regime elástico. A análise de fadiga Fig (8) indica que a

máquina não sofrerá danos estruturais.

3.2 - Projeto da Parte Hidráulica

A parte hidráulica foi adaptada para atender os requisitos de projeto do modelo didático (Parker, 2014, Reis, 2009) ,

para isso foram considerados os recursos disponíveis no laboratório de hidráulica da universidade. Os componentes

selecionados para a elaboração do circuito foram: reservatório hidráulico, válvula limitadora de pressão, manômetros,

válvula reguladora de vazão compensada, válvula direcional de 4/3 vias centro fechado e Mangueiras flexíveis.

Após a seleção dos componentes hidráulicos foi elaborado um circuito hidráulico capaz de atender as necessidades

do projeto conforme Fig. (9).

Figura 9. Diagrama do circuito hidráulico.



O controle das pressões é realizado através de duas válvulas limitadoras de pressão acopladas no reservatório

hidráulico. O controle é possível devido aos recursos da unidade hidráulica que possui bomba dupla de engrenagens

com deslocamento fixo e saídas independentes com manômetros fixados nas válvulas limitadoras de pressão. O circuito

elaborado é fundamentado nas pressões de saída independentes da unidade hidráulica. As saídas independentes

possibilitam o controle individual das pressões de operação, assim antes de iniciar o processo de soldagem é feita a

regulagem manual das pressões nas válvulas limitadoras de pressão acompanhando o valor das pressões através de dois manômetros acoplados no reservatório hidráulico.

3.3 - Fabricação do Equipamento

Para a fabricação foram utilizadas as máquinas e ferramentas do laboratório da PUC Minas/Contagem. As

principais máquinas utilizadas foram: torno convencional e CNC, centro de usinagem CNC, máquinas de solda eletrodo

revestido e MIG, corte a plasma, furadeira de bancada, serra de fita horizontal e vertical, serra metalográfica, prensa

mecânica, esmeril e lixadeira.

A maior parte da fabricação foi destinada a usinagem. A maioria das peças são encaixadas, (rolamentos na caixa de

rolamentos, buchas nas bases), com deslizamento (buchas nas colunas guia, parte do eixo principal na caixa de

rolamentos), por parafusos (caixa de rolamentos na base superior, porta pinça inferior na base inferior) ou por rosca

(tampa da caixa de rolamentos na caixa de rolamento, tampa do porta pinça no porta pinça), assim as duas peças destinadas a montagem. As peças que foram soldadas foram usinadas antes e depois do processo de soldagem. As

buchas deslizantes nas colunas guia foram mandriladas, a fim de garantir a cilindricidade, circularidade e

dimensionamento.

A usinagem foi feita primeiro nas peças maiores e prosseguiu até as menores. As partes pintadas passaram por este

processo individualmente antes da montagem. Após usinar todas as peças foi feito o suporte da estrutura da máquina,

foram cortadas e dobradas as cantoneiras, montadas, soldadas, foi feita a furação para o encaixe da máquina e a pintura

posteriormente.

3.4 - Montagem do Equipamento

Para a montagem alguns cuidados foram tomados, dentre eles os que mais se destacam são: as colunas guia devem estar perpendiculares a base e paralelas entre si, os furos das buchas devem estar concêntricos em relação aos furos guia

da base móvel e furos de fixação das colunas da base superior, as bases tem que estar paralelas entre si para garantir a

perpendicularidade do corpo de prova com a base e assim o alinhamento dos materiais soldados, é importante a

cilindricidade das colunas guia com ajustes precisos para garantir o deslocamento da base móvel, os rolamentos devem

estar distanciados de forma precisa e exata no eixo principal para garantir a distribuição homogênea da carga axial, a

distância das sedes dos rolamentos na caixa de rolamentos deve ser precisa e exata para garantir o alinhamento do eixo

principal, o furo da base superior deve estar concêntrico com a caixa de rolamentos.

Foi utilizada a prensa mecânica para a montagem das peças com ajuste por interferência (rolamentos e buchas). As

demais peças foram posicionadas e fixadas conforme necessidade individual. Após a montagem da máquina iniciaram-

se as ligações elétricas e hidráulicas.

4. RESULTADOS E DISCUSSÕES

Com a finalização do projeto o mesmo foi executado, após isso foram realizados testes, que comprovam a

eficiência da máquina projetada. A Figura (10) mostra um corpo de prova durante o processo de soldagem, nesta

imagem pode ser vista a zona termicamente afetada, o recalque do material (deformação plástica) e o avermelhamento

da interface soldada, que indica a mudança de fase e mostra o caldeamento do material. Estas informações mostram que

os testes realizados alcançaram os objetivos e cumpriram os parâmetros necessários para realizar solda entre materiais.



Figura 10. Corpo de prova soldado com o modelo fabricado.

5. CONCLUSÃO

Foi projetada, analisada, construída e testada uma máquina didática de solda por fricção. A partir da análise do

projeto e do equipamento construído conclui-se que o projeto está adequado para realizar solda entre materiais.

A estrutura da máquina foi projetada para não haver deformação plástica e garantir estabilidade e rigidez do

equipamento. Os testes realizados na máquina foram para observar os parâmetros envolvidos no processo de soldagem

por fricção. O equipamento construído comprova a viabilidade de execução do projeto.

O projeto e a máquina construída divulgam a tecnologia de soldagem por fricção e possibilita os alunos conhecerem

e estudarem o processo.

6. AGRADECIMENTOS

Agradecemos a Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais campus Contagem por liberar o uso do

laboratório e todos os equipamentos necessários para a execução deste trabalho.

7. REFERÊNCIAS

Brandi, Sérgio Duarte; WAINER, Emílio; MELLO, Fábio Décourt Homem de., 1992“Soldagem: Processos e

Metalurgia”.

Cogo, Gabriel., 2011“Processamento de pinos por atrito: Avaliação de características mecânicas e metalúrgicas de aços

estruturais unidos pelo processo FTPW”, Rio Grande do Sul, Brasil. Lopez, Facundo Sebastián., 2010 “Montagem e avaliação de uma máquina de solda por fricção” Rio Grande do Sul,

Brasil.

Norma AWS D1.1/D1.1. 1M:2010.

Parker. “Tecnologia hidráulica industrial”,2014.

REIS, Mara Nilza Estanislau. , 2009, Hidráulica e Pneumática. Contagem: PUC MINAS.

8. DIREITOS AUTORAIS

Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho.

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ANALYSIS, DESIGN AND CONSTRUCTION OF A MACHINE FOR

TEACHING WELDING FRICTION

Anderson Júnior Dos Santos, [email protected]

Diogo Azevedo De Oliveira, [email protected]

Klaus Higor Dos Santos Silva, [email protected]

Luiz Carlos Figueiredo, [email protected]

Natanael Geraldo e Silva Almeida, [email protected]

1Pontifícia Universidade Católica De Minas Gerais, Rua Rio comprido, 4.580, Prédio 2-CEP 32010-025-Contagem/MG

Abstract: This article describes the conventional friction welding process, specifying the parameters that base the

design, analysis and construction of a didactic friction welding machine. The project was divided in two stages, in the

first stage were done the theoretical concept, design, analysis and methodology of manufacturing; the second stage

was concluded with the manufacturing and assembly of the didactic model. The goals of the project were design and

construct a continuous didactic machine of Friction Welding able to perform welding of specimen of equal and dissimilar materials, highlighting the technological importance of the friction welding techniques and disclose the

advantages, disadvantages, applications and opportunities that this process offers to the market.

Key words: conventional friction welding, design, Didactic Machine of Friction Welding

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