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A que se propõem os Elementos de Fixação?
Parte Final
Tema que discorre sobre o que são e qual a importância de peças tão essenciais tem, aqui, sua conclusão
Na condição ótima de utilização da Capacidade de Geração de Força de um Parafuso, devemos adentrar na região elasto-plástica, como mostrado na Figura 2. Nesta região, o Parafuso atua parcialmente como uma mola, apresentando uma deformação permanente parcial e um regime semi-elástico, isto é, ao ultrapassar o Limite de Escoamento, o Parafuso já não respeitará, plenamente, a Lei de Hooke. Fisicamente significa que está ocorrendo uma deformação, mas ainda prevalece certa elasticidade.
Visando esta situação ótima, podemosmostrar, esquematicamente, todos os parâmetros importantes de um Parafuso.
Na Figura 3, temos uma Curva Força – Ângulo, portanto estamos considerando o Esforço Combinado e a partir de um Parafuso tipo M12 × 1,5, Classe de Resistência 10.9 temos um exemplo numérico, com valores experimentais, de todos os parâmetros que devem ser contemplados.
Figura 3 – Valores experimentais de todos os parâmetros de um Parafuso, considerando o Esforço Combinado.
Começando pela zona elástica,onde se respeita a Lei de Hooke, é possível traçar a reta 1 (r1), obtida a partir dos pontos (*) Linear 1 e Linear 2. Desta reta, podemos determinar a sua inclinação (gradiente Força – Ângulo), aqui denominado como ß, cujo valor experimental é 0,369 k N.grau-1, ou seja, a cada avanço de um grau (o) na condição de aperto, ocorre um incremento de Força da ordem de 0,369 k N.
Utilizando o inverso da grandeza ß e adequando as unidades de kN.grau-1 para mm.N-1, temos uma outra propriedade, Resiliência, que no exemplo é da ordem de 1,13.10-5 mm.N-1.
Considerando a reta r1 e a reta experimental com os dados (*) obtidos, o ponto experimental ()que já não pertence à reta r1 é o limiar da zona elástica. Este ponto refere-se ao Limite de Escoamento (Yield Point), definido matematicamente e que corresponde a 76,48 k N.
Se pela reta r1 traçarmos uma reta paralela (r2) deslocada a 45º no sentido do aperto, a intersecção desta reta com os dados experimentais determinará um outro ponto ( ) na zona elasto-plástica, exatamente 45º além do Limite de Escoamento. Denominamos este ponto como ZEP_45, ou seja, uma condição/situação a 45º do Yield Point, já na zona elasto-plástica. Este ponto, experimentalmente, no exemplo corresponde a 88,24 kN, ou seja, 15 % superior à Força correspondente ao Limite de Escoamento.
A reta com os dados experimentais (*) revela também um valor de 93,43 k N, que é a máxima Força obtida deste Parafuso. Se medirmos o Coeficiente de Atrito de Rosca (µG) neste ponto, no caso igual a 0,071, determinamos o Rendimento (91,1 %, utilizando a Eq. 2) e calculamos a Força Axial (102,60 kN). Como sabemos qual é a área resistiva deste Parafuso, podemos então obter o Limite de Resistência à Tração, obtido através de um processo envolvendo a condição de uso, aperto, e o respectivo Esforço Combinado e que neste caso é da ordem de 1.162 MPa. Lembrando que a Classe de Resistência 10.9 especifica o Limite de Resistência à Tração entre 1.040 e 1.220 MPa.
Se adotarmos um ponto a 98 % da Força Máxima, já na condição decrescente, e por este ponto traçarmos uma outra reta (r3) paralela à reta que delimita a zona elástica (r1), a diferença, em graus, no caso 536º, nos revela uma importante propriedade, a Ductilidade. Este valor nos informa, por exemplo, em caso de retrabalho e/ou reaperto, quantas vezes é possível adentrar a zona elasto-plástica sem que o Parafuso perca as suas funções. Convencionalmente, pode-se reutilizar um Parafuso de 3 a 5 vezes, considerando que, a cada vez, não se ultrapasse 50º. Este valor de Ductilidade é função da matéria-prima utilizada na confecção do Parafuso, da estratégia do tratamento térmico e de aspectos geométricos como, por exemplo, o número de filetes engajados.
A utilização conservadora de um Parafuso recomenda uma faixa entre 75 e 80 % dos valores mostrados na Tabela 6. Se temos um processo moderno de aperto, podemos adentrar com segurança na zona elasto-plástica de um Parafuso e, como conseqüência, podemos gerar uma Força ao redor de 110%, considerando os valores da Tabela 6, ou seja, é possível especificar um Parafuso M10, apertando-o além do Yield Point ao invés de se utilizar um Parafuso M12, na condição conservadora, tomando por base a Capacidade de Geração de Força de um Elemento de Fixação. Temos, desta forma, um potencial de redução de custo do Parafuso e de peso do produto acabado, pois também será possível redimensionar as Contra-Peças.
Como já citado, a função/missão de um Parafuso é fixar “alguma coisa numa outra coisa”. Assim sendo, ao estabelecer qual é Capacidade de Geração de Força de um Parafuso, também devemos tomar cuidado com as Contra-Peças, que aqui nos referimos como“alguma coisa”. As Contra-Peças também possuem um determinado Módulo de Elasticidade e no contexto de Junta, constituído genericamente (e na sua forma mais simples) pela Contra-Peça e por dois elementos roscados, um com rosca externa e outro com rosca interna, não podemos ter deformação permanente (deformação plástica) da citada Contra-Peça.
A Figura 4 reflete esquematicamente o comportamento de uma Junta. Trata-se de uma composição/ construção semelhante a um conjunto de molas.
 A Contra-Peça deve sempre trabalhar no regime elástico, ou seja, atuando plenamente como uma mola. O Parafuso, desde que sob condições controladas, pode trabalhar na região elasto-plástica, onde as deformações permanentes deverão ser bem definidas.
O equilíbrio resultante entre as deformações do Parafuso e da Contra-Peça define o que chamamos de Força Tensora ou “Clamping Load”.
Figura 4 - Representação esquemática de uma Junta. A mola Interna corresponde ao Elemento de Fixação (no caso Parafuso) e a mola externa representa a Contra-Peça
Na Figura 5, temos graficamente o conceito de “Clamping Load”. Como estamos na região elástica do Parafuso, ou seja, não estamos utilizando toda a Capacidade de Geração de Força deste Elemento de Fixação, consideramos uma condição conservadora.
Figura 5 - Representação esquemática do equilíbrio entre as deformações elásticas do Parafuso e da Contra-Peça, na condição conservadora, pois utilizamos parte da Capacidade total de Geração de Força do Parafuso
Figura 6 - Representação esquemática do equilíbrio entre as deformações (elástica da Contra-Peça e elasto-plástica do Parafuso), Capacidade total de geração de Força do Parafuso.
Na Figura 6 a representação gráfica explora a condição de maior utilização da Capacidade de Geração de Força do Parafuso, ou seja, na sua região elasto-plástica. Notar que estamos na região plástica da Contra-Peça, situação mandatória. Como estamos na região elasto-plástica do Parafuso, ou seja, estamos utilizando toda a Capacidade de Geração de Força deste Elemento de Fixação, consideramos então uma condição extremamente recomendável.
Figura 7 - Representação esquemática do equilíbrio entre as deformações (plástica da Contra-Peça e elástica do Parafuso) numa condição não recomendável, pois ultrapassamos o limite elástico da Contra-Peça.
Na Figura 7, ao adentrar na região plástica da Contra-Peça, temos uma condição inaceitável, isto é, apesar de estarmos utilizando plenamente a Capacidade de Geração de Força do Parafuso, esta Força é demasiada para a Contra-Peça. Quando ocorre esta situação, a Força gerada pelo Parafuso é parcialmente consumida na deformação da Contra-Peça, o que pode gerar perda de carga. Como desrespeitamos uma condição mandatória, esta situação deve ser evitada.
Sumarizando, as Porcas sempre têm maior capacidade de suportar Forças, pois estão submetidas a esforços axiais. Para os Parafusos, ao considerar o Esforço Combinado, devemos levar em conta o coeficiente de atrito de rosca, que é uma variável fundamental, pois delimita o Rendimento. A Força Tensora resultante em uma Junta é o equilíbrio entre deformações, como se fosse um conjunto de molas. Na zona elástica, temos uma condição conservadora. Ao maximizar a utilização da Capacidade de Geração de Força de um Parafuso, podemos adentrar a região elasto-plástica do mesmo, condição extremamente recomendável, em função dos possíveis benefícios como, por exemplo, a redução de peso, custo, etc. Com respeito à Contra-Peça, não é aceitável qualquer deformação permanente.
Dr. Roberto Garcia
Consultor técnico, bacharel em química, mestre e doutor em físico química pela UNESP (Universidade Estadual Paulista).
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