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Artigos - Dr. Roberto Garcia
28/12/2020 05h51

Artigos

Uma nova visão de como apertar um parafuso, utilizando as modernas ferramentas disponíveis – Parte Final

Na parte 1 deste artigo a abordagem se deu em apertos sob o sistema rotativo, findando agora sob o sistema pulsativo 

Na edição anterior, RP Nº 83, abordei aspectos teóricos relativos à Torque, Força Tensora, “Kfactor”, Coeficientes de Atrito, Ângulo de Aperto, etc e culminei discorrendo sobre o Processo de Aperto, por Torque e Ângulo de Deslocamento, no sistema Rotativo.

Nesta edição, pretendo discorrer sobre Processos de Aperto, agora no sistema Pulsativo, utilizando uma apertadeira eletro-eletrônica ESTIC, mostrando como a mecatrônica nos permite compatibilizar as Leis da Física Clássica com a Ergonomia, e fundamentalmente, adequar o melhor Processo, às condições de cada Junta, tornando realidade uma longa luta, no conceito de “tailored process”, numa tradução livre, “processo alfaiatado”, sob medida, onde cada Junta terá suas particularidades levadas em consideração e ser apertada da forma mais específica possível. 

O processo Pulsativo, como o próprio nome sugere, o aperto é executado através da aplicação de pulsos intermitentes, eletronicamente mensurados, onde ON é o intervalo de tempo onde temos um pulso de operação e OFF é o intervalo de tempo pausado. A adequação dos valores de ON e OFF é a vantagem que este processo oferece, pois permite que a Junta possa reagir aos esforços mecânicos nos intervalos de ms (micro-segundo – 10-6 s), respeitando as premissas das Leis de Newton ao longo de todo o processo de aperto, à cada pulso, enquanto que no processo Rotativo, estas premissas só ocorrem em etapas pré-definidas.

A ferramenta ESTIC é bi-funcional, ou seja atua no modo Rotativo [ ROT ], ou Pulsativo [ PUL ], ou Misto [ ROT & PUL ].

Os gráficos apresentados serão sempre no processo Misto, pois na fase de aproximação, utilizaremos o ROT e depois na fase de aperto propriamente dita, o PUL.

A seguir na Figura 11, temos uma Curva “Torque x Ângulo”, num Processo Torque Seco, cujo Torque Alvo é de 60 Nm. Para este valor de Torque Alvo é mandatório  o uso de Barra de Reação no Rot e condição dispensável no PUL. É importante frisar que a aproximação, até 15Nm, foi executada no processo ROT, assinalado por e a partir de 15 Nm até o Torque Alvo de 60Nm, temos o processo PULL, que resultou em 16 pulsos, assinalados por .

Uma nova visão de como apertar uma Parafuso, utilizando as modernas ferramentas disponíveis PARTE II Já na Figura 12 abaixo, temos uma Curva “Torque x Tempo,” no mesmo Processo (Torque Seco), cujo Torque Alvo é de 60 Nm. Relembrando, a fase de aproximação, até 15 Nm, foi executada no processo ROT, assinalado por  e a partir de 15 Nm até o Torque Alvo de 60 Nm, temos o processo PUL, que resultou em 16 pulsos, assinalados por .

 

Fig. 11.- Curva “Torque x Ângulo”, processo Misto.

Já na Figura 12, temos uma Curva “Torque x Tempo,” no mesmo Processo (Torque Seco), cujo Torque Alvo é de 60 Nm. Relembrando, a fase de aproximação, até 15 Nm, foi executada no processo ROT, assinalado por • e a partir de 15 Nm até o Torque Alvo de 60 Nm, temos o processo PUL, que resultou em 16 pulsos, assinalados por •.

 Figura 12: Curva "Torque xTempo", em ms, processo Misto. 

 Figura 13: Curva "Torque x Ângulo", processo Misto, com a aplicação de micro-pulsos na etapa final do aperto.

Figura 14: Curva “Torque x Tempo”, processo Misto, com a aplicação de micro-pulsos na etapa final do aperto

A Figura 12 nos detalha claramente no que consiste o processo PUL. Temos um tempo de ação (ON) e um tempo de pausa (OFF), o que permite a adequada relaxação da Junta, bem como possíveis acomodações.

O processo PUL também permite um refi namento, na fase final de aperto, onde um determinado percentual do Torque pode ser confi gurado em micro-pulsos, ou seja, o processo Misto pode ser composto por: ROT + PUL_1 (normal) + PUL_2 (micro-pulsos).

A Figura 13 nos mostra como é este processo. Temos uma Curva “Torque x Ângulo,” o Torque Alvo é de 60 Nm e a ação dos micro-pulsos fica explicita no aumento do número de pulsos (•), de 16 para 22.

Da mesma forma, na Figura 14 apresento a Curva “Torque x Tempo”, com os micro-pulsos na etapa derradeira do aperto.

Observa-se que na fase final do aperto, o incremento do Torque em relação ao Tempo é menor que na fase anterior, ou seja, comparando com e sem os micro-pulsos, a presença de mais 6 pulsos, para alcançar o Torque Alvo dos mesmos 60 Nm é um refinamento na tribologia envolvida na interface dos componentes da Junta.

Também é possível programar no Processo Misto uma Estratégia de Aperto no conceito de Torque e Ângulo de Deslocamento.

Exemplifico esta Estratégia, com um Pré-Torque de 25 Nm e Ângulo de Deslocamento de 30 graus, cuja Curva “Torque x Ângulo” é mostrada na Figura 15. Saliento que se trata de um processo Misto, pois os primórdios do aperto é no sistema ROT, até 15 Nm, e a partir deste valor, sistema PUL A fase angular começa em 25 Nm e nesta Estratégia, o Torque Resultante é da ordem de 86,9 Nm.

Figura 15: Curva "Torque x Ângulo", processo Misto, Estratégia de Aperto: Torque e Ângulo de Deslocamento.

Detalhando Fase a Fase, temos que: na Fase inerente ao Pré-Torque, totalmente dependente dos atritos, que até 15 Nm ocorreu no modo ROT e daí até 25 Nm, o Pré-Torque especificado para esta Junta, no modo PUL, ocorreram dois pulsos (•).

Na Fase Angular, que independe dos atritos e como o aperto desta Junta considera o regime elástico do Parafuso, podemos aplicar a Lei de Hooke e assim sendo, temos que as Resiliências, tanto do Parafuso como da contra-peça são os fatores determinantes para gerar a Força Tensora e assim sendo, o Torque passa a ser a Resultante, em termos de Energia, do processo como um todo, isto é, Pré-Torque e adição de um Ângulo de Deslocamento.

Uma análise mais focada em “pulso-a-pulso”, nos revela que a mesma Energia Específica foi necessária entre os pulso 2 e 3 e entre os pulsos 4, 5, 6 e 7. Uma maior Energia Específica foi necessária entre os pulos 3 e 4 e uma maior (sic) ainda, entre os pulsos 7 e 8.

Considerando que o ângulo de aperto é sinônimo de Força Tensora, a variação mostrada nas diversas Energias Especificas nos revela como o “Kfactor” varia ao longo do processo de aperto.

O perfeito entendimento de como e porquê ocorrem estas variações nos abrirá uma imensa janela, que nos permitirá olhar a Junta microscopicamente, pois a conversão de deslocamento angular (grau) em deslocamento linear, a grandeza é da ordem de µm (microns-metro). Ou seja, o avanço no aperto de um Parafuso (ou Porca) é uma espécie de micrômetro de baixa qualidade, mas melhor que um paquímetro.

O mesmo processo pode ser detalhado através de uma Curva “Torque x Tempo”, como mostra a Figura 16.

Figura 16: Curva “Torque x Tempo”, processo Misto, Estratégia de Aperto: Torque e Ângulo de Deslocamento.

Como a Fase Pré-Torque considera a etapa de aproximação dos componentes da Junta e o “SNUG TORQUE” (“empacotamento da Junta”), vou fazer considerações apenas sobre a Fase Ângular, onde existe uma relação direta entre Ângulo de Aperto” e Força Tensora, agora sob a ótica do Tempo de Aperto.

A Fase Angular começa no segundo pulso e termina no oitavo pulso. A grandeza τ (gradiente da Energia em relação ao tempo), expressa em Nm.ms-1, é praticamente constante nos pulsos 2 e 8 e é a mesma entre os pulsos 4 e 7. O intervalo de tempo nesta fase é de 195 ms, logo a grandeza τ (média) é da ordem de 0,445 Nm.ms-1 e mudando a dimensão do tempo de ms para segundo, temos 445 Nm por segundo de aperto. Tenho absoluta certeza que a Fase Angular, que é a mais importante de um processo de aperto, não necessita ser a mais rapidíssima também. Temos assim mais parâmetros para “administrar” a definição de um processo de aperto, τ, ON , OFF, número de pulsos (e/ou micro-pulsos),etc.

O processo PUL amplamente utilizado em apertadeiras antigas, “as tais britadeiras”, agora ganha uma nova perspectiva, pois temos a mecatrônica ao nosso lado bem como todas as Leis da Física a nos respaldar.

Finalmente agora podemos comparar o comportamento de uma mesma Junta, apertada na mesma Estratégia (Torque & Ângulo) mas com dois processos distintos, Rotativo, que reproduzo na Figura 7 e Pulsativo, cuja Figura 15 retorno nesta página, para uma comparação lado a lado (sem ter que voltar para página e edição anterior).

Figura 7: Curva real, Processo Torque e Ângulo de Deslocamento, aperto na região elástica (RP No 83)

Figura 15: Curva “Torque x Ângulo”, processo Misto, Estratégia de Aperto: Torque e Ângulo de Deslocamento, modo PULSATIVO.

O processo de Aperto por Pré-Torque e um ângulo de Deslocamento é deveras interessante e faz juz ao investimento já efetuado com a aquisição de uma apertadeira eletro-eletrônica.

A oportunidade de se poder escolher operar no modo ROTATIVO, PULSATIVO ou MISTO, abre inúmeras possibilidades de se adequar o processo ao produto. Podemos afi rmar também que o modo ROTATIVO é constituído de infinitos femto pulsos (10-15) no conceito de ON sem o pulso de pausa (OFF).

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).

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CONTEÚDO DA EDIÇÃO

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