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25/09/2017 09h19

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A que se propõem os elementos de fixação e como utilizá-los num moderno parque industrial - Parte I

Esta edição contém a primeira parte do texto onde o autor busca fundamentar o papel dos fixadores no universo industrial  

Elementos de Fixação

O principal requisito de desempenho dos elementos de fixação (EF) é fixar alguma coisa em alguma outra coisa. Tão simples como, nada mais complicado como.

Seu universo é muito amplo: parafusos, porcas, arruelas, prisioneiros, rebites, pinos, anéis de retenção, abraçadeiras, grampos, cupilhas, pregos e, até mesmo, o zíper é considerado um EF.

Fazendo um breve relato sobre os quatro primeiros EFs, as porcas, dotadas de roscas internas, são aparentemente as mais frágeis. Ledo engano. Elas são muito mais resistentes que os demais. Quando ouço a frase “espanou a porca” fico muito preocupado. A “coisa” é grave. Numa junta parafusada, a porca é o EF que está lá para o que der e vier, ou seja, ela é muito mais “forte que o parafuso ou a contra-peça etc.

Já o Parafuso, rosca externa, este é o equivalente ao “fusível de uma junta”.É o item menos resistente, mecanicamente falando. Ao saber que um parafuso alongou, ou chegou a espanar, não é tão assustador como no caso da porca. A plena utilização de um parafuso considera que o mesmo seja apertado no limiar do seu limite de escoamento, quer seja aquém ou além. Conservadoramente, busca-se utilizar na região elástica do parafuso, a 75 % do “Yield Point”, mas podemos apertar até a 110 % do mesmo.

Os prisioneiros são muito especiais, possuem roscas nos dois extremos. Apertam e são apertados, portanto, têm dupla função, sendo um tipo de EF multifuncional.

Já o rebite, este não tem rosca, logo o considero um parafuso “one way”, ou seja, ao se fixar, se o fizermos bem feito, é para sempre. Por outro lado, se no processo de “rebitagem” não ocorrer uma perfeita deformação, permanente, o rebite perdeu sua finalidade, logo deve ser removido, e broca nele!!! Quer dizer, se não fixou adequadamente, o mesmo deve ser removido, e na maioria das vezes destrutivamente. Aqui a principal diferença entre o rebite e o parafuso/ porca: numa analogia gastronômica, no “Ham & Eggs”, o porco entra com a vida, para gerar o presunto, enquanto que a galinha não se incomoda em fornecer seus ovos. Amanhã os terá mais, prazerosamente.   

Como não se aperta rebite - e sim aplicamos uma determinada força - este conceito é muito importante, fundamental até, e será motivo de uma discussão mais à frente.

Mas todos sofrem do seguinte preconceito:

“Segundo uma autoridade em EF, com notável saber, a maioria dos parafusos poderia ser substituída por um ´arame ´, algo que só não ocorre em razão da aparência final e ao processo de aperto!!!”

Daí, talvez, o menosprezo generalizado, cabendo até dizer um“desdém aos EF”.

Por outro lado, nas aplicações onde é “impossível” usar um “arame” na função dos EF, estes devem ser bem projetados, rigorosamente produzidos e excelentemente apertados.  

 Qual é a “função” do arame?

Fixar a rolha na garrafa. Neste exemplo, é possível discorrer que há “muita engenharia” por trás de um simples arame.

Literalmente, o arame exerce a função de um parafuso, que é fixar a rolha. Este “parafuso” foi dimensionado para ’suportar’ a pressão interna nas condições de transporte, temperatura ambiente (elevada, não como a do refrigerador), agitação mecânica etc. Ao consumidor lhe cabe “desaparafusar” o arame. Sem grandes esforços, sem a necessidade de uma ferramenta, ou seja, com as próprias mãos. Como numa junta, também não é permitido deformação plástica da contra-peça (no caso a rolha), logo, para aumentar a resistência mecânica da rolha há um aplique metálico, com bossas para acomodar/orientar os ramos de arame etc. Esse aplique é uma espécie de camada de endurecimento da superfície da rolha.

Nos ramos perpendiculares a construção é de arame duplo, já na “argola de desaparafusamento”, arame simples. Beber champanhe também é cultura, além da “ciência enológica” envolvida.  

Comparação entre elas (as porcas) e eles (os parafusos)

Faz-se necessário uma comparação e, assim sendo, podemos olhar ao nosso redor.

A natureza feminina é muito mais resistente que a masculina. Isto também ocorre entre “porca x parafuso”.

A explicação é bem simples. As porcas só “sofrem” esforços axiais, enquanto os parafusos, ao serem apertados, são submetidos simultaneamente a esforços axiais e torcionais, o que denominamos de esforço combinado.

A relação entre o esforço combinado e o esforço axial é denominada de rendimento (η), que é função (inversa) e exclusiva do coeficiente de atrito de rosca (μG), expressa por:  

 O Rendimento está relacionado com os parâmetros geométricos do parafuso e do coeficiente de atrito de rosca (μG), conforme equação a seguir:  

 

Fisicamente, um parafuso começa alongar a uma força menor que a força de tração de uma porca, respeitando que ambas as peças estão com classes de resistências adequadas. Ou seja, elas sobram em resistência mecânica.

O que se espera de um parafuso?

Sabemos que o parafuso serve para fixar alguma coisa em alguma outra coisa. Porém podemos abordar esta função em dois contextos diferentes, que deveriam ser congruentes, mas, infelizmente, não o são.

O primeiro contexto é quanto aos requisitos normalizados e, para tanto, vou explanar sobre a ISO 898 – Parte 1.

O segundo contexto é quanto aos quesitos de desempenho, ou seja, o que se obtém dos parafusos perfeitamente normalizados.

Requisitos Normalizados (ISO 989 - Parte I)

Relembrando o que significa classe de resistência, a partir de um exemplo (parafuso 10.9).Veja figura 2 abaixo:

 

Figura 2:Exemplo do significado dos números 10.9, com relação à resistência à tração e limite de escoamento para um parafuso 10.9.  

O primeiro número (10) indica o limite de resistência à tração, no caso 10 X 100 = 1.000 MPa; o segundo dígito (.9) é a fração (no caso 90%) referente ao limite de escoamento, que neste exemplo é 90% de 1.000 = 900 MPa. Estes valores são nominais.
 
Como normalmente um fio máquina é fornecido com 500 MPa mín., para alcançar as propriedades mostradas na figura 2 se faz necessário tratar termicamente o aço.
 
Sumarizando, o tratamento térmico (TT) é um processo que envolve aquecimento e principalmente resfriamento, que provocam alterações nas transformações alotrópicas(ferro gama – ferro alfa), cujo objetivo fundamental é alterar as propriedades mecânicas do metal.  
 
A figura 3 ilustra as principais etapas de um TT para aços, visando a produção de EF.  
 
 
Figura 3: Etapas fundamentais de um TT na produção de EF  

Na figura 4 podemos relacionar as classes de resistência, com os materiais do fio máquina e as respectivas durezas.  

 Figura 4.- Valores de Dureza (e quais materiais são apropriados) para atingir os requisitos normalizados, para as Classes de Resistência 6.8 (que não requer TT) e 8.8, 9.9, 10.9 e 12.9, que requerem mandatoriamente TT.

A figura 5 relaciona outras propriedades, tais como limite de escoamento e resistência à tração e as respectivas durezas, com a classe de resistência.  

Figura 5:  Valores de dureza, limite de escoamento e de resistência à tração para atingir os requisitos normalizados, para as diversas classes de resistência  

Como citado anteriormente, o TT agrega dureza e desta forma temos um comportamento específico, considerando o limite de escoamento e o limite de resistência à tração. Porém, esta transformação alotrópica, responsável pelas propriedades, também agrega tensões internas (residuais) no material, e essas tensões se alinham com a dureza, ou seja, maior dureza, maior tensão interna.

A figura 6 relaciona estas tensões internas com a classe de resistência, o que denomino escala de tensões residuais.

Figura 6: Escala de tensões residuais, em função das diversas classes de resistência, ou seja, a tensão interna de um parafuso 12.9 é muito maior que de um 8.8 (sic).

Um questionamento frequente: “Que classe de resistência é a mais adequada?” A resposta não é tão simples, mas tomando por base o nível de tensões internas, só devemos utilizar a classe 12.9 quando não houver outra alternativa.

Algumas alternativas passam por variar os fatores geométricos do parafuso, como, por exemplo, utilizar um passo mais fino, aumentar a bitola do parafuso, mas nem sempre estas alternativas são exeqüíveis.

Na Figura 7 procuro, de maneira divertida, associar a classe de resistência com a função do parafuso, isto é, o seu uso específico.

Para tanto criei uma “Escala Empírica de Tensões Residuais”, ironicamente: “Síndrome dos Botões da Camisa do Gordinho”, como mostrado na figura 7, abaixo.

Figura 7.- Escala Empírica de Tensões Residuais, em função do uso do parafuso (no caso os botões da camisa), associadas às diversas classes de resistência, ou “Síndrome dos Botões da Camisa do Gordinho”.   A segunda parte deste artigo será publicada em nossa próxima edição.

Dr. Roberto Garcia

Consultor técnico, bacharel em química, mestre e doutor em físico química pela UNESP (Universidade Estadual Paulista).

roberto.2.garcia@gmail.com

 
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