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Artigo
30/04/2009 12h10

Técnicas de aperto e o uso combinado
do controle de gradiente
Parte 1

Muitos são os métodos utilizados para a montagem de componentes, máquinas e dos mais variados equipamentos dos quais, hoje, fazemos uso na indústria e em nosso dia-a-dia. Quando nos referimos à montagem em que fazemos uso da união por aplicação de parafusos (uma das mais antigas e tradicionais maneiras de se unir as partes), diversos métodos de aperto são hoje comumente utilizados em diferentes ocasiões, dependente de uma relação de custo/benefício, conforme a precisão desejada e o grau de controle necessário, a fim de se garantir o alcance de um nível requerido de força de união a ser gerada por um dado parafuso.  

Foto a direita: Eng. Marcos Leite

 
 
 
 
 
Como exemplo dos métodos aplicados, hoje, na indústria e afins, podemos citar:
Aperto por Torque
Aperto por Torque x Ângulo
Aperto Controlado por Gradiente de Aperto (no escoamento - "Yield" - e além)
Aperto por Controle de Alongamento
 
 

Nota-se, no gráfico acima (figura 40), extraído da VDI2230 (procedimento alemão para dimensionamento de juntas aparafusadas), que a dispersão do aperto diminui e seu rendimento aumenta à medida que avançamos em direção à métodos de aperto que apresentam maior controle ou precisão; permitindo-se o uso de um menor parafuso para uma mesma aplicação, reduzindo-se custo e peso.
 
Aperto por Torque Controlado
 
Utilizado em montagens onde o aperto ocorre dentro da zona linear de deformação do parafuso (zona elástica), dos mais antigos, um dos mais comuns e menos custosos métodos de junção (ainda hoje em uso) é o Aperto por Torque Controlado. É usado em aplicações onde uma maior tolerância ao erro (uma maior dispersão no grau de aperto) é permitida; de forma que, devido ao seu baixo custo operacional, torna-se a melhor ou a mais adequada opção.



 
 
 
Assim a equação de Torque fica:
 
 
 
 
Na equação geral de torque acima, tem-se: “p” como sendo o passo da rosca, “μG” como sendo o coeficiente de atrito presente entre as superfícies de contato do filete de rosca do parafuso e da peça, como sendo o ângulo de abertura do filete de rosca, “d2” como sendo o diâmetro de flanco (primitivo) da rosca, “DKm” como sendo o diâmetro médio de arrasto da área de assentamento sob a cabeça do parafuso, “μK” como sendo o coeficiente de atrito presente entre as superfícies de contato do apoio da cabeça do parafuso e da peça, e o ângulo do apoio da cabeça do parafuso, caso este não seja plano. A equação abaixo representa a versão simplificada mais comumente vista, específica para parafusos com assentamento plano sob a região de apoio da cabeça do parafuso e considerando-se roscas com ângulo de abertura de filete = 60°.
 
 

 
Nota-se que o aperto por Torque Controlado é totalmente dependente das condições de atrito (μK, μG) presentes na relação parafuso/contra-peça. Como pode-se observar, ao se avaliar a equação de torque, para um pré-fixado torque de aperto desejado, o grau de força de aperto obtido, varia ou fica dependente da intensidade do coeficiente de atrito combinado cabeça/ rosca (μK, μG). Ou, do mesmo modo, para uma dada força final de aperto desejada, uma grande dispersão entre o torque máximo (para atritos máximos) e o torque mínimo (para atritos mínimos) estará presente; tornando o método de baixa precisão. Esta dispersão será tão maior quanto maior for o torque (e, consequentemente, a força) necessário ao fechamento da união (como pode ser observado na figura 45, acima, representando uma “janela de aperto” Torque x Força).
 
 
Aperto por Torque x Ângulo
 
Como resultado da evolução da indústria e da necessidade crescente de redução de peso e de consumo de combustíveis e, em paralelo, de se garantir (por razões de projeto) uma maior uniformidade no grau de aperto de um conjunto multi-aparafusado (de forma a se reduzir possíveis deformações estruturais), em aplicações onde o custo/benefício for compensador (posto ser um método que necessita do uso de equipamento informatizado/ computadorizado para seu monitoramento e controle; sendo, portanto, um método de custo operacional mais elevado), se faz hoje uso do método de aperto por Torque x Ângulo.

 
 
 


Neste, como pode ser visto nos gráficos acima, dá-se um pré-aperto por torque controlado, apenas com a finalidade de se garantir o prévio encosto dos componentes a serem fixados (quando é cruzado o momento de ligação ou “snug point”). Após o pré-torque, o aperto segue sendo executado através da aplicação de um ângulo de giro controlado. Iniciado o controle por ângulo, não mais o sistema é influenciado pelas condições de atrito presentes; o que resulta em maior precisão e controle no aperto. A menor dispersão de força de união, e o menor grau de erro no aperto, característico deste processo, torna possível que este seja executado também na zona plástica do parafuso (sua zona não linear); sem risco de ocorrer a ruptura do parafuso. Sendo, assim, um método capaz de fazer uso do máximo da capacidade de um parafuso.

Um método de alto rendimento, que torna possível o uso de parafusos de menor bitola do que os usados em aperto por Torque Controlado; posto que o grau de erro a ser tolerado resulta ser menor que no método anterior. Tanto o pré-torque como o ângulo final de aperto, devem ser definidos previamente em ensaios de laboratório; para que estes atinjam o nível de força necessária à montagem, conforme estipulado em projeto. E este pré-torque deverá ser o menor possível, de forma a se reduzir ao máximo o grau de dispersão que será causado por este (como resultado da dispersão dos atritos presentes) ao final do aperto angular. (Ao se examinar o gráfico de uma janela de aperto por torque, como a apresentada no início do texto - figura 45 -, evidencia-se como a dispersão de atrito e do torque cresce à medida que o aperto avança).
 
Aperto por controle de alongamento
 
O aperto por Torque x Ângulo controla o grau ou ângulo de giro (monitorando o torque) de um parafuso durante a montagem de um conjunto. Assim, de forma direta, devido a relação entre o ângulo de giro e do quanto o parafuso avança pela relação ângulo de giro/passo do filete da rosca, o grau de alongamento do parafuso também está sendo monitorado. E o alongamento do parafuso é diretamente proporcional à intensidade da força de tração presente e agindo neste. Assim, pode-se dizer que o aperto por Torque x Ângulo não deixa de ser um aperto por alongamento controlado; ao seu modo.
 
Porém, para montagens onde os atritos presentes entre as partes (devido às dimensões dos componentes – parafusos e seu acessórios – porcas e afins - que possuem bitolas iguais ou maiores de 40 mm em diâmetro) podem atingir níveis que tornem inviável a montagem por torção do parafuso, faz-se uso de métodos de tração pneumática. Onde os parafusos são tracionados, sucessivamente (e repetidamente, de modo a ser absorver e de se reduzir ao máximo possível o relaxamento do sistema), até atingirem um grau de alongamento correspondente à força de aperto desejada ao final da montagem. A cada etapa de tração, a porca é girada livre até o seu encosto na superfície de contato da contra-peça; assim, reduzindo-se sensivelmente o atrito que estaria presente; caso esta estivesse em contato permanente com a peça durante seu movimento.
 
Aperto por Gradiente
 
A montagem por controle do Gradiente de Aperto é encarado como uma variante do já mencionado aperto Torque x Ângulo computadorizado, pois baseia-se neste princípio. Como é de se esperar, Torque x Força têm uma relação linear; o que é facilmente demonstrado numa máquina de torque x tensão. Também, do mesmo modo, através de montagens apropriadas, demonstra-se que são lineares (quando na zona elástica) as relações de
força x ângulo e torque x ângulo.
 
Da relação incremento de torque x incremento de ângulo, obtém-se um quociente diferencial a partir do “momento de ligação” (“Snug Point”, o instante em que se tem o encosto ou contato entre as partes da junção). Este quociente diferencial é então armazenado na memória. A partir do momento de ligação, o quociente permanecerá na memória até o limite de escoamento (Rp0,2), quando então, devido à uma modificação da relação torque x ângulo, começará a cair. Assim, um conveniente algoritmo poderá ser definido para cada aplicação de modo a:
 



 
 
 
Este procedimento torna-se, literalmente, independente dos coeficientes de atrito; sendo influenciado somente pela variação da resistência efetiva do lote de parafusos utilizados, como resultante das condições de tratamento térmico destes. Até o limite de escoamento, o torque de aperto é dado por ângulo de rotação e registrado junto a um sistema computadorizado. Quando um parafuso é pré tensionado na região elástica, o torque de aperto aumenta proporcionalmente ao ângulo de rotação . A inclinação da curva torque x ângulo é praticamente constante. Tão logo seja ultrapassado o limite de escoamento, o aumento do ângulo torna-se maior que o aumento do torque aplicado. Então, o aparafusamento é interrompido. O ponto de interrupção do aperto é definido previamente, em ensaios de laboratório, conforme a carga final desejada à aplicação.


 
É um método que apresenta, do mesmo modo como o de aperto por Torque x Ângulo, seu melhor aproveitamento quando utilizado do limite de escoamento para adiante; dentro da zona plástica. Porém, não há nenhum impedimento para que qualquer destes métodos angulares seja utilizado quando o parafuso ainda se encontra em sua zona elástica (excetuando-se a avaliação de condições de custo/benefício envolvidas)
 
Este artigo continua na próxima edição

 

 

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