PROJETO BANCA DE TREFILAÇÃO DESENVOLVIMENTO …
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PROJETO BANCA DE TREFILAÇÃO DESENVOLVIMENTO ESTRUTURAL E DO SISTEMA HIDRAULICO Bruno da Fonseca Correa 1 , [email protected] Ernane Vinicius Silva 1 , [email protected] Gilmar Cordeiro da Silva 1 , [email protected] Rafael Morais Ataíde Murta 1 , [email protected] Raimundo Antônio Alves de Souza 1 , [email protected] Tiago Librelon 1 , [email protected] 1 Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais – Rua Dom José Gaspar, 500, Bairro Coração Eucarístico, CEP: 30535-901, Belo Horizonte, Minas Gerais – Brasil Resumo: A trefilação é um processo de conformação mecânica utilizado para produção de arames, barras e tubos com controle dimensional e acabamento superficia otimizados. Consiste basicamente em puxar o material através de uma matriz, chamada de fieira, obtendo desta forma uma redução de área e, conseqüente, aumento do comprimento do produto.Trata-se de um processo de conformação por compressão indireta, pois o material e puxado pela fieira por meio de forças trativas e a deformação ocorre por meio de forcas compressivas. São utilizados dois tipos de equipamentos: a banca de trefilação utilizada para produção de tubos e barras e as trefiladoras de tambor utilizada para a produção de componentes bobináveis no caso arames. Este trabalho consiste no desenvolvimento estrutural e do sistema hidráulico de acionamento de uma banca de trefilação como também no desenvolvimento dos demais componentes presentes na banca, como, por exemplo, garra de tração e fieira. O projeto e detalhamento da estrutura e dos componentes mecânicos foram concebidos com o auxilio do software Autodesk Inventor Professional 2008 e a simulação dos esforços solicitantes (FEA - Analise por Elementos Finitos) com o auxilio do software ANSYS com interface para o Autodesk Inventor Professional 2008. Foi possível após o cálculo da banca a sua construção dotada de elementos estruturais e de acionamento hidráulico. Palavras-chave: Sistema hidráulico. Trefilação. Simulação. Esforços. Elementos finitos 1. INTRODUÇÃO A trefilação é um processo de conformação utilizado na indústria para fabricação de arames, tubos e barras, que possibilita a obtenção do produto final com acabamento superficial e controle dimensional otimizados. Existem bancas de trefilação para produção de tubos e barras e as trefiladoras de tambor, utilizadas para a produção de componentes bobináveis tais como arames. (SANTOS, 2005, p.5; CORRÊA, 2004, p.29). A hidráulica utiliza fluidos sobre pressão para transmissão e controle de forças e movimentos. Os fluidos utilizados podem ser óleo mineral, sintético ou uma emulsão óleo/água, os quais apresentam vantagens como o controle preciso da velocidade, reversibilidade, proteção contra sobrecarga e limitação de força. O método de elementos finitos é uma técnica numérica confiável para análise de projetos de engenharia que substitui um problema complexo por vários outros de menor dificuldade. Ele divide um modelo em peças pequenas e de formato simples, chamadas de elementos. Os elementos compartilham pontos comuns, chamados de nós. O movimento de cada nó é integralmente descrito pelas translações nas direções X, Y e Z, chamadas de graus de liberdade. ( RIBEIRO, 2004; ÂNGELO; CARROLO; BEIRA, 2002; GILMAR, 2003). Os softwares de simulação formulam as equações que controlam o comportamento de cada elemento, levando em consideração sua conectividade com outros elementos. Essas equações relacionam os deslocamentos com as propriedades do material, acessórios de fixação e cargas conhecidas. Em seguida, o software de simulação organiza as equações em um grande conjunto de equações algébricas simultâneas e localiza os deslocamentos nas direções X, Y e Z em cada nó. (RIBEIRO,2004). Neste trabalho foi abordado o projeto e execução de uma banca de trefilação com acionamento hidráulico.
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PROJETO BANCA DE TREFILAÇÃO
DESENVOLVIMENTO ESTRUTURAL E DO SISTEMA HIDRAULICO
Bruno da Fonseca Correa
Ernane Vinicius Silva1, [email protected]
Gilmar Cordeiro da Silva1, [email protected]
Rafael Morais Ataíde Murta1, [email protected]
Raimundo Antônio Alves de Souza1, [email protected]
Tiago Librelon1, [email protected]
1 Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais – Rua Dom José Gaspar, 500, Bairro Coração Eucarístico, CEP:
30535-901, Belo Horizonte, Minas Gerais – Brasil
Resumo: A trefilação é um processo de conformação mecânica utilizado para produção de arames, barras e tubos
com controle dimensional e acabamento superficia otimizados. Consiste basicamente em puxar o material através de
uma matriz, chamada de fieira, obtendo desta forma uma redução de área e, conseqüente, aumento do comprimento do
produto.Trata-se de um processo de conformação por compressão indireta, pois o material e puxado pela fieira por
meio de forças trativas e a deformação ocorre por meio de forcas compressivas. São utilizados dois tipos de
equipamentos: a banca de trefilação utilizada para produção de tubos e barras e as trefiladoras de tambor utilizada
para a produção de componentes bobináveis no caso arames. Este trabalho consiste no desenvolvimento estrutural e
do sistema hidráulico de acionamento de uma banca de trefilação como também no desenvolvimento dos demais
componentes presentes na banca, como, por exemplo, garra de tração e fieira. O projeto e detalhamento da estrutura e
dos componentes mecânicos foram concebidos com o auxilio do software Autodesk Inventor Professional 2008 e a
simulação dos esforços solicitantes (FEA - Analise por Elementos Finitos) com o auxilio do software ANSYS com
interface para o Autodesk Inventor Professional 2008. Foi possível após o cálculo da banca a sua construção dotada
de elementos estruturais e de acionamento hidráulico.
Palavras-chave: Sistema hidráulico. Trefilação. Simulação. Esforços. Elementos finitos
1. INTRODUÇÃO
A trefilação é um processo de conformação utilizado na indústria para fabricação de arames, tubos e barras, que
possibilita a obtenção do produto final com acabamento superficial e controle dimensional otimizados.
Existem bancas de trefilação para produção de tubos e barras e as trefiladoras de tambor, utilizadas para a produção
de componentes bobináveis tais como arames. (SANTOS, 2005, p.5; CORRÊA, 2004, p.29).
A hidráulica utiliza fluidos sobre pressão para transmissão e controle de forças e movimentos. Os fluidos utilizados
podem ser óleo mineral, sintético ou uma emulsão óleo/água, os quais apresentam vantagens como o controle preciso da
velocidade, reversibilidade, proteção contra sobrecarga e limitação de força.
O método de elementos finitos é uma técnica numérica confiável para análise de projetos de engenharia que
substitui um problema complexo por vários outros de menor dificuldade. Ele divide um modelo em peças pequenas e de
formato simples, chamadas de elementos. Os elementos compartilham pontos comuns, chamados de nós. O movimento
de cada nó é integralmente descrito pelas translações nas direções X, Y e Z, chamadas de graus de liberdade.
( RIBEIRO, 2004; ÂNGELO; CARROLO; BEIRA, 2002; GILMAR, 2003).
Os softwares de simulação formulam as equações que controlam o comportamento de cada elemento, levando em
consideração sua conectividade com outros elementos. Essas equações relacionam os deslocamentos com as
propriedades do material, acessórios de fixação e cargas conhecidas. Em seguida, o software de simulação organiza as
equações em um grande conjunto de equações algébricas simultâneas e localiza os deslocamentos nas direções X, Y e Z
em cada nó. (RIBEIRO,2004).
Neste trabalho foi abordado o projeto e execução de uma banca de trefilação com acionamento hidráulico.
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2. METODOLOGIA
Foi elaborado um pré-projeto utilizando como premissa as dimensões de um cilindro hidráulico, reaproveitado de
um sistema hidráulico com capacidade de 207 bar, bem como seu desenho de montagem com o curso máximo, além das
áreas da coroa e pistão. Foi feito um esboço com a configuração da banca e, em seguida, iniciou-se o projeto utilizando
um software de desenho em 3D.
O ângulo ótimo da fieira foi calculado através da equação (1).
√(
(
)) (1)
Onde, µ é o coeficiente de atrito, ri é o raio inicial e rf é o raio final.
O coeficiente de atrito foi determinado através da literatura (CETLIN; HELMAN, 1983). O diâmetro interno da
fieira foi determinado de acordo com a redução da área do material ABNT SAE 1020 recozido.
Através do método dos blocos foi determinada a tensão e força de trefilação inerentes ao processo de acordo com a
redução utilizada, obtendo-se assim os esforços atuantes na estrutura da banca. Uma vez definido a força de trefilação,
foi possível calcular a pressão mínima necessária no sistema hidráulico. A partir desses dados, foi possível dimensionar
o sistema hidráulico calculando a vazão, bitola das mangueiras, volume do reservatório e selecionar os componentes do
circuito hidráulico.
A banca foi instrumentada com uma válvula reguladora de pressão, uma válvula redutora de vazão e manômetro.
Por meio destes instrumentos, foi possível controlar o processo e também obter a velocidade e a força empregadas
durante o processo de trefilação. O esquema do circuito foi desenhado com o auxilio do software FluidSim (Figura 1).
A banca foi construída com tubo quadrado estrutural e chapas de aço baixo carbono. A montagem dos elementos da
estrutura da banca foi feita através de soldagem MIG.
Durante a elaboração do projeto foram realizadas simulações com os esforços atuantes no conjunto montado da
banca e em suas peças separadas. Após análise dos resultados, foi constatado que algumas peças precisavam ser
redimensionadas para atender o fator de segurança mínimo adotado.
Foram calculados os esforços presentes nos parafusos, pinos e soldas para dimensionamento e especificação. Após
a conclusão do projeto, foram gerados desenhos de conjunto e fabricação com o auxilio do software do Inventor e Auto
Cad.
Figura 1: Esquema do circuito hidráulico
Fonte: Próprio Autor
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3. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Para calcular o ângulo ótimo da fieira foi considerada uma redução de 18%, para que a barra trefilada ficasse com o
diâmetro comercial de 9/16”. Dessa forma, o valor encontrado para o ângulo ótimo foi de:
O próximo passo foi calcular a tensão e a força de trefilação através do método dos blocos (Equação 2). A tensão
média utilizada nos cálculos foi a do aço ABNT 1020 (CHIAVERINI, 1977, p. 85), e foi considerado um fator de
segurança de 1,27.
[ (
)
] (2)
Onde é a tensão média, B corresponde ao produto do coeficiente de atrito µ pela cotangente do semi-ângulo de
trefilação, e Df e Di representam, respectivamente, os diâmetros final e inicial da barra. Desta forma os valores encontrados foram:
⁄
⁄
Foi calculada a pressão mínima necessária no sistema para realizar o processo de trefilação (35 bar), utilizando-se
uma unidade hidráulica com capacidade de 110 bar. A vazão utilizada no sistema foi de 12 l/min e o volume do
reservatório foi de 40 litros, com óleo hidráulico 46 do fornecedor ALL Lubrificantes. O diâmetro das mangueiras foi
de 1/4” e para calcular o diâmetro foi considerada uma velocidade de 60 dm/s para a linha de pressão e retorno.
Os resultados obtidos nas simulações da estrutura da banca podem ser vistos na tabela 1.
Tabela 1 - Resultados obtidos na simulação da estrutura
Fonte: Próprio Autor
As figuras 2, 3, 4, 5, 6 e 7 a seguir mostram cada resultado de contorno sobre a superfície da peça.
SIMULAÇÃO ESTRUTURA
1º proposta Última proposta
Mínimo Máximo Mínimo Máximo
Tensão equivalente (Mpa) 0,02565 258,4 0,00225 9,352
Deformação (mm) 0 2,016 0 0,01197
Fator de segurança 0,801 N/A 15 N/A
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Figura 2: Tensão Equivalente - 1º Proposta Estrutura
Fonte: Próprio Autor
Figura 3: Deformação - 1º Proposta Estrutura
Fonte: Próprio Autor
Figura 4: Fator de Segurança - 1º Proposta Estrutura
Fonte: Próprio Autor
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Figura 5: Tensão Equivalente - Última Proposta Estrutura
Fonte: Próprio Autor
Figura 6: Deformação - Última Proposta Estrutura
Fonte: Próprio Autor
Figura 7: Fator de Segurança - Última Proposta Estrutura
Fonte: Próprio Autor
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A última proposta foi a escolhida para o projeto da banca, pois foi a que apresentou os melhores resultados na
simulação, atendendo as necessidades do projeto. Após a definição da configuração da estrutura foi feita mais uma
simulação com a estrutura completa com o porta fieira e mancal do cilindro, os resultados podem ser vistos na tabela 2.
Tabela 2 - Resultados obtidos na simulação da estrutura completa
Fonte: Próprio Autor
As figuras 8, 9 e 10 a seguir mostram cada resultado de contorno sobre a superfície da peça.
SIMULAÇÃO ESTRUTURA COMPLETA
Mínimo Máximo
Tensão equivalente (Mpa) 0,0001995 44,34
Deformação (mm) 0 0,1893
Fator de segurança 4,669 NA
Figura 08: Tensão Equivalente - Estrutura Completa
Fonte: Próprio Autor
Figura 9: Deformação - Estrutura Completa
Fonte: Próprio Autor
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Os valores das tensões apresentados no resultado estão abaixo do limite de escoamento do material utilizado para
construir a banca. Desta forma, pode-se concluir que o projeto atende as necessidades da banca de trefilação. A Figura
11 apresenta foto da banca de trefilação hidráulica completa construída.
4. CONCLUSÃO
Através do sistema hidráulico foi possível controlar a velocidade do processo, o que seria uma necessidade do
projeto. O sistema foi dimensionado de forma a permitir maiores reduções no processo de trefilação, pois o mesmo tem
capacidade para uma forca de aproximadamente 3 tf.
A simulação numérica foi muito útil na fase de projeto. Através das simulações realizadas foi possível empregar de
forma correta todos os materiais disponíveis para a construção da estrutura da banca e seus componentes, assim como o
correto dimensionamento.
Figura 11: Banca de trefilação hidráulica completa
Fonte: Próprio Autor
Figura 10: Fator de Segurança - Estrutura Completa
Fonte: Próprio Autor
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O projeto da garra de tração foi feito de forma a aproveitar a forma do cilindro e também garantir que, ao prender o
corpo de prova na garra, o mesmo não se soltasse durante o processo.
5. AGRADECIMENTOS
Aos Técnicos Marceliny e Klaus Higor, ao estudante de engenharia Diórgines Barsadb e ao Sr. Anderson da GHF
Hidráulica.
6. REFERÊNCIAS
ÂNGELO, Hugo; BEIRA, Ricardo; CARROLO, João. Introdução ao SOLIDWORKS. Instituto superior técnico -
Fórum Mecânica. 2002.
CETLIN, Paulo Roberto; HELMAN Horacio. Fundamentos da Conformação Mecânica dos Metais. 2.ed. São Paulo:
Artliber Editora Ltda. 2005. Cap. 6.
CHIAVERINI, Vicente. Aços e ferros fundidos. 4.ed. São Paulo: Associação Brasileira de Metais. 1977.
CORRÊA, E. C. S.. Aspectos do encruamento de metais previamente deformados a frio. 2004.Tese (Doutorado em
Engenharia Metalúrgica e de Minas) Belo Horizonte: Escola de Engenharia da UFMG.
RIBEIRO, Fernando L. B. Introdução ao Método dos Elementos Finitos.COPPE / UFRJ – Programa de engenharia
civil. Rio de Janeiro, 2004.
SANTOS, C. A. Simulação numérica da trefilação axissimétrica do aço inoxidável 420 considerando o efeito do
caminho de deformação. 2005. Tese (Doutorado Engenharia Metalúrgica e de Minas) Escola de Engenharia da
UFMG Belo Horizonte.
SILVA, G. C.. Substituição das etapas de usinagem pela conformação mecânica na fabricação de contatos para
soldagem por resistência, 2003. Dissertação (Mestrado Departamento de Engenharia Metalurgia e de Minas),
Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, MG, Brasil.
7. DIREITOS AUTORAIS
Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho.
PROJECT WIREDRAWING BENCH
DEVELOPMENT STRUCTURAL AND THE HYDRAULIC SYSTEM
Bruno da Fonseca Correa, [email protected]
Ernane Vinicius Silva, [email protected]
Gilmar Cordeiro da Silva, [email protected]
Rafael Morais Ataíde Murta, [email protected]
Raimundo Antônio Alves de Souza, [email protected]
Tiago Librelon, [email protected]
Abstract. The wiredrawing process is a mechanical conformation used for production of wires, bars and tubes with
high dimensional control and good surface finish. Basically consists of pulling the material through a die, called the
spinneret, thus obtaining a reduction in area and a consequent increase in the length of the material. It is a process
conformation indirect compression, because the material and pulled through the spinneret traction forces and the
deformation occurs by compression forces. Are used two types of equipment: a wiredrawing bench used for production
of tubes and bars and wiredrawing drum used for the production of components reeling in the case wires. This work is
the development of structural and hydraulic drive system of a wiredrawing bench as well as the development of other
components present in banking, such as claw traction and spinneret. The design and detailing of the structure and
mechanical components were designed with the help of Autodesk Inventor Professional 2008 and the simulation of
structural strain (FEA - Finite Element Analysis) with the aid of ANSYS software to interface with Autodesk Inventor
Professional 2008.
Keywords: Hydraulic System. Wiredrawing. Simulation. Loads. Finite Element
