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27/11/2016 09h35

    Artigos

 

Determinação da área superficial de parafusos e de outros elementos de fixação com rosca

 

Equipe da Universidade Estadual Paulista propõe um método simples de cálculo, dividido em 5 etapas, para obtenção da área total em superfícies de parafusos e outros fixadores roscados

 
 
 
Um método simples foi desenvolvido para calcular a área superficial de parafusos e outros elementos de fixação com rosca combinando conceitos de geometria descritiva com análise de imagens digitais. Este trabalho destina-se principalmente a técnicos e profissionais da área de corrosão, em que a área exposta desses elementos é um parâmetro indispensável. 
 

Introdução

Os ensaios de corrosão são considerados um dos aspectos mais importante da engenharia de materiais. Muitos testes são feitos para selecionar materiais metálicos para a construção de ferramentas, equipamentos, máquinas, motores, etc. Os testes laboratoriais eletroquímicos [1] e não eletroquímicos [2] são caracterizados por utilizar pequenas amostras imersas em pequenos volumes de soluções em condições experimentais que tentam simular a agressividade do meio real de exposição. Em seguida, faz-se o monitoramento das variações na amostra ou na solução, durante um período relativamente curto. Como as reações de corrosão são heterogêneas, espera-se que áreas de superfície maiores resultem em maiores taxas de corrosão. Quando possível, cilindros, discos ou amostras planas são preferencialmente usados nos testes, mas – quando formas particulares estão envolvidas – a determinação da área pode tornar-se um problema e grandes erros podemser cometidos, uma vez que as taxas de corrosão são geralmente expressas por unidades de área exposta, por exemplo mg/dm²/dia ou mdd [3].

Elementos de fixação mecânica como pinos, cavilhas, rebites, parafusos e porcas são amplamente utilizados em diversos setores industriais e precisam ser testados na forma que são recebidos. Na prática, muitas vezes supõe-se que os parafusos têm uma geometria simples e, por esta razão, costumam ser modelados como corpos cilíndricos ou cônicos. Esta simplificação pode causar grandes erros, cuja magnitude dependerá dos tipos de rosca: triangular, trapezoidal, retangular, etc. [4].

Neste contexto, propõe-se um método simples para calcular a área da superfície do corpo de um parafuso, combinando conceitos de geometria descritiva com análise de imagens digitais. A área da superfície da cabeça do parafuso não será calculada por considerar que a cabeça e o corpo são quase sempre expostos a diferentes ambientes e, assim, eles geralmente são submetidosa testes de corrosão diferentes.

Procedimento

O método pode ser descrito em cinco etapas como mostrado a seguir:

I. Medir o diâmetro maior (Dmax) do corpo do parafuso usando um paquímetro. Este parâmetro será usado para determinar a escala da imagem do parafuso;

II. Capturar a imagem do parafuso em posição vertical com um celular, câmera digital ou estereomicroscópio;

III. Analisar a imagem obtida para gerar umfator de escala que relacione o número de pixels com o diâmetro medido pelo paquímetro (número de pixels : mm). Para este propósito pode ser usado um programa livre como o GNU Image Manipulation Program (GIMP 2.8.16);

IV. Determinar, através da imagem obtida, o diâmetro menor (Dmin) e o comprimento do perfil de corpodo parafuso (L).

V.1. Nos parafusos cilíndricos sem haste (porção sem rosca) e sem ponta (chanfro) Lcil (a soma das arestas de um passo multiplicado pelo número de passos) será igual ao comprimento de um cilindro hipotético de diâmetro Dmin-cil. Portanto, a área exposta do corpo de parafuso(Acil) pode ser calculada de acordo com a equação 1.

V.2. Em parafusos cilíndricos com ponta cônica, a área exposta do corpo de parafuso (Acil-con) pode ser calculadaa partir da equação 2, em que Lcon é a soma de todas asarestas do chanfro.

Finalmente, este método será aplicado a dois tipos de parafusos: um para máquinas e outro para chapas, ambos com passos trapezoidais e Dmax = 6,15 mm (Figura 1). As escalas obtidas a partir do processamento das imagens foram, para o primeiro, 6,15 mm : 384 pixels e, para o segundo, 6,15 mm : 305 pixels.

Se o parafuso da Figura1(a) é modelado como um cilindro com as seguintes características básicas: comprimento= 50,10 milímetros e diâmetro maior = 6,15 mm, a área exposta será 998 mm². Este valor é 16% menor que o calculado usando o método proposto. Quando este método foi aplicado ao parafuso da Figura 1(b) com comprimento de 49,80 milímetros (parte cilíndrica = 44,65 mm + porção cônica = 5,15 mm), a diferença entre a área calculada(950 mm²) e a estimada(921 mm²) foi de 3%. A partir destes resultados, é interessante ressaltar que a diferença nos valores das áreas está relacionada principalmentecom Lcil e esta diferença aumenta conforme o número depassos aumenta.

Figura 1. Parafusos para (a) máquinas e (b) chapas. As imagens ampliadas à direita de cada parafuso destacam a forma da rosca e o tamanho dos passos.

 

Considerações finais

O método descrito é uma ferramenta eficiente para calcular as áreas de superfície de parafusos e de outros elementos de fixação com rosca. Nem a forma e nem o tamanho do passo limitam o método, desde que as arestas da rosca sejam preservadas durante o processamento da imagem. O método também pode ser aplicado para calcular a espessura da camada de óxido em parafusos anodizados para implantes biomédicos ou da camada de zinco em parafusos eletrogalvanizados para ferragens.

 
Agradecimentos
Os autores agradecem à UNESP pelo apoio financeiro.
 
Referências

[1] Standard Test Method for Conducting Cyclic Potentiodynamic Polarization Measurements for Localized Corrosion Susceptibility of Iron-, Nickel-, or Cobalt-Based Alloys, American Society for Testing Materials, West Conshohocken, PA, USA, ASTM G 61-86 (2014).

[2] Standard Practice for Laboratory Immersion Corrosion Testing of Metals, American Society for Testing Materials, West Conshohocken, PA, USA, ASTM G31-72 (2004). 

[3] Roberge, P.R., Corrosion Engineering, Principles and Practice, 1st ed., McGraw Hill, New York (2008). [4] Fasteners – General requirements for bolts, screws, studs and nuts. International Organization for Standardization, Geneva, Switzerland, ISO 8992 (2006).

 
 
Eduardo Norberto Codaro
Professor Adjunto II no Departamento de Física e Química
da Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá – FEG/UNESP.
Doutor em Ciências Químicas pela Universidade Nacional de
La Plata (UNLP).
codaro@feg.unesp.br

Heloisa Andréa Acciari
Professora Assistente Doutora II no Departamento de Física e
Química da Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá – FEG/
UNESP. Doutora em Química pelo Instituto de Química de
Araraquara – UNESP.
heloisa@feg.unesp.br

Matheus Moura Sampaio
Técnico em Química no Departamento de Física e Química
da Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá – FEG/UNESP.
Estudante do Curso de Engenharia Química na Escola de Engenharia
de Lorena – EEL/USP.
matheusmsampa@gmail.com

Marcos Vinícius Ferreira da Silva
Estudante do Curso de Licenciatura em Física, na Faculdade
de Engenharia de Guaratinguetá – FEG/UNESP.
A131321374@feg.unesp.br

 

 


 


 

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