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31/07/2019 11h22

Artigos

O parafuso no nosso cotidiano.
Quanta Ciência e quanto menosprezo.
Casos relatados de Recalls – Parte 2

Nesta edição damos sequência à segunda parte do artigo, iniciado na edição anterior (RP75/maio 2019), no qual o autor aborda a importância e abrangência dos parafusos e similares de fixação e, sobretudo, o quanto descuidos no uso desses artefatos metálicos podem gerar consequências impagáveis

 

Com os dados experimentais de Força e Torque, coletados ângulo-a-ângulo, é possível calcular o Fator de Torque("kfactor") e visualizar como o mesmo não é constante,como sugere a expressão matemática (Eq. 6). Na figura 5,temos como o "kfactor" varia em função da Força.  (Foto - Dr. Roberto Garcia) 

Figura 5: Representação gráfica da variação do "kfactor" em função daForça, a partir de dados de um parafuso M16 X 2,0, 10.9. 

Como a Equação Básica não reflete cabalmentea variação do Torque em função da Força, uma nova expressão matemática foi proposta, a qual denominamos Expressão Geral, apresentadas nas especificações DIN 946 ¾ “Determination of coefficient of friction ofbolt/nut assemblies under specified conditions” e "ISO16047 - Fasteners / Clamp Force Testing", que possui aseguinte grafia, como mostra a equação 7.

A Expressão Geral agrega três parâmetros geométricos, como opasso, o diâmetro interno e o diâmetro médio da superfície de contacto e dá a devida contribuição (real importância) dos Coeficientes de Atrito da Rosca(μG) e da Cabeça (μK).

Comparando a Expressão Geral (equação 7) com aEquação Básica (equação 6), obtemos uma terceira expressão, mostrada na equação 8, que nos revela que o "kfactor"é composto por três conjuntos de parâmetros, dois delespendentes dos coeficientes de atrito.

Na figura 6, temos uma demonstração de comoo Torque Total é subdividido, ressaltando a dissipação inerente à rosca e à cabeça. Como Torque tem dimensão de Energia, temos uma expressão consolidada da Participação de Energia, envolvida num processo de aperto por Torque. 

Figura 6: A partir da Expressão Geral, é possível visualizar a Partição da Energia, num processo de aperto por Torque.

Para a condição mais usual, ou seja, apertos na região elástica do parafuso, podemos combinar as equações 7 e 2, sendo que esta última é a própria Lei de Hooke. À esta combinação, denominamos Equação Aperfeiçoada, cuja grafia é mostrada abaixo na equação 9.

Esta equação nos é muito útil, pois se conseguirmos mensurar o ângulo de aperto, num dado processo de Torque, será possível estimar a força tensora gerada nocitado processo. 

Revestimentos

O conceito de coeficientes de atrito já estavam disseminados na penúltima década do século passado(1980), principalmente na Alemanha e Suécia. Naquela oportunidade, as especificações de alguns revestimentos já exigiam μGES, o Coeficiente de Atrito Total, da ordemde 0,08 ≤ μGES ≤ 0,14.

Porém, na última decada daquele século (1990), tal conceito foi "massificado" e o valor de μGES ficou na faixade 0,10 ≤ μGES ≤ 0,16, globalmente.

A expressão matemática que rege μGES ( ou μtot ) é  mostrada na equacão 9: 

 Mais recentemente, há um movimento para se especificar μG ( ou μth ) - o Coeficiente de Atrito de Rosca, devido a sua fundamental importância na definição da capacidade de geração de força pelo parafuso, devido ao esforço combinado, como foi mostrado na equação 1. As faixas que estão sendo motivo de estudo estão entre 0,08 ≤ μG ≤ 0,10 ou 0,09 ≤ μG ≤ 0,12. A expressão para μG é mostrada na equação 10: 

Ao fazer parte de um requisito normalizado, o Coeficiente de Atrito Total ( μGES) proporcionou o desenvolvimento de novos materiais com o objetivo de alcançar tais valores. Uma gama enorme de Selantes, "Top Coats", Agentes Deslizantes, etc estão à disposição para sem aplicados nos diversos tipos de revestimentos, desde os eletrodepositados ("plating") até os organo-metálicos, bemcomo para as novas tecnologias (nano, etc).  

Processos de Torque

A ideia deste artigo é explicar Processos de Apertos eexemplicar com uma aplicação crítica.

Aperto por Torque Seco

Neste tipo de processo, busca-se um determinado valor de Torque, denominado Torque Alvo [ TA ]. A meta deste processo é atingir o Torque Alvo e devemos entende rque este é o processo mais simples, porém altamente dependente dos coeficientes de atrito, da compatibilidade entre os materiais dos componentes que fazem parte da Junta, irregularidades dimensionais, tais como: planicidade, perpendicularidade, roscas deformadas e/ou com sujeiras, etc.

Na figura 7 temos os principais aspectos deste processode torque, conhecido também como 'Torque Seco".

Figura 7: Representação gráfica do processo conhecido como "Torque Seco" 

Os valores de TA, Máx e mín, são parâmetros a serem digitados na programação da ferramenta, no caso uma apertadeira eletro-eletrônica.

TA também é o valor dinâmico do aperto, daí a sigla D e os valores de Máx e mín deverão estar correlacionados com a capabilidade da ferramenta, usualmente 5 %, pois se trata de uma apertadeira eletro-eletrônica.

TA/2 é a metade do Torque Alvo, valor costumeiramente utilizado como Torque de Monitoramento, a partir do qual a apertadeira começará a fazer uma contagem do ângulo de aperto (Δ), até o TA. Neste processo, o monitoramento do Δ é apenas informativo.

A sigla S : Mp indica que se trata de um Torque estático(S) e Mp diz respeito ao Torque de Verificação, cuja janela de aprovação estará compreendida entre a e b Nm, no Sistema Internacional - SI. O parâmetro D e os valoresde a e b são especifícos para cada Junta.

Para exemplificar este tipo de aperto, escolhi um parafuso utilizado em aero-geradores, onde o TA é da ordem de milhares de Nm.

Devido à responsabilidade funcional deste parafuso, a sua classe de resistência é 10.9. O parafuso é confeccionado com material ligado, composição não muito sofisticada, porém não tão simples.

Como o aperto ocorrerá em campo, e por se tratar de uma junta crítica, o processo mais simples comumente utilizado é o Torque Seco, mas devido aos fatores acima explanados, há um rígido controle na apertadeira, que emalguns casos são calibradas atráves de células de carga. E com relação aos coeficientes de atrito, os mesmos são parametrizados na sua contribuição rosca e cabeça, especificando-se um “range” de Fator de Torque ("kfactor") além de um exíguo desvio padrão do mesmo.

Para ilustrar qual a variação aceita do "kfactor", na Figura 8 temos os valores de "kfactor" que atendem as necessidades do Projeto, de Qualidade e de Serviço, nocitado segmento Eólico.

Figura 8: Valores de "kfactor" que atendem à exigênciasdo segmento Eólico.

Para se aquilatar o quão exíguo são estas exigências, o "kfactor" está compreendido entre 0,10 e 0,16. Lembrarque as atuais exigências em relação aos revestimentos, μGES são iguais a 0,10 e 0,16, mínimo e máximo, respectivamente. Ou seja, o que é normalizado para os revestimentos, no segmento Eólico é o parâmetro que a barca todas as variáveis assinaláveis, tantos as dimensionais, como às relativas aos materiais e à compatibilidade entre os componentes da Junta.

É mister ressaltar que para atender tal exigência é necessário entender todas as variáveis inerentes e assinaláveis dos componentes da Junta, bem como desenvolver um revestimento de alto desempenho e adequado às demandas de campo.

Na próxima edição falaremos de processo de aperto por Torque e Ângulo de Deslocamento, amplamente aplicado no segmento automotivo.

Para exemplificar este tipo de aperto, escolhi um parafusoutilizado em aero-geradores, onde o TA é da ordem de milhares de Nm.

Como citado, a classe de resitência deste Parafuso, aplicação Eólico, é 10.9 e o aperto ocorre na região elásticado mesmo, numa atitude conservadora, isto é, até 75% do "Yield Point" O revestimento desenvolvido capaz de atender as mais exíguas exigências do Projeto utiliza MoS2 (Bissulfetode Molibdênio), sabidamente um material com propriedades tribológigas de alto desempenho, devido o baixo atrito em altas pressões. Porém o desvio padrão requerido (1,9σ) obrigou a um "aperfeiçoamento", ou seja, na realidade o revestimento é um compósito, pois foi agregado ao MoS2 um moderador de atrito, com características morfológicas semelhantes ao Bissulfeto e elevada compatibilidade com o material da contra-peça, que no caso é uma superfície galvanizada (zinco a fogo).

A utilização de uma apertadeira calibrada, um revestimento que assegura um "kfactor" no intervalo especificado em Projeto, fazem com que a geração da Força Tensora seja confiável, mesmo com uma operação de aperto em Campo, para uma Junta com características de alta criticidade.

Dr. Roberto Garcia

• Consultor técnico, bacharel em química, mestre e doutor em físico química pela UNESP (Universidade Estadual Paulista),onde é pesquisador colaborador do GEMAT - Instituto de Química (roberto.2.garcia@gmail.com).

• Mentor na Assahi Maquinas e Equipamentos Ltda. - Fastening Tecnologies Division (garcia@assahimaquinas.com.br).

A terceira parte deste artigo será publicada em nossa próxima edição.  

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CONTEÚDO DA EDIÇÃO

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