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TRABALHO SOBRE PARAFUSOS SUELEN PEREIRA ÁVILA – 37730

RIO GRANDE, JANEIRO DE 2014

Introdução5
História6
Arquitas de Tarento6
Arquimedes7
Johannes Gutenberg7
Leonardo da Vinci7
Jacques Besson7
Henry Maudslay8
Estrutura e aplicação8
Roscas9
Tipos de roscas10
Sentido de direção de rosca1
Elementos gerais das roscas12
Corpo do parafuso12
Cabeça do parafuso13
Tipos de porcas13
Tipos de parafusos16
Padronização19
Dimensionamento de fixadores roscados20
Área sob tração20
Tensão de cisalhamento21
Tensões torcionais23
Normas24
Fadiga em parafusos metálicos26
Influência da rosca na resistência à fadiga de parafusos26
Influência do tipo de conexão parafuso/porca31
Influência da instalação do parafuso na resistência à fadiga32
Seleção de materiais e suas propriedades para parafusos32
Inovações nos materiais utilizados em parafusos34
Exemplo de aplicações37
Parafuso de Arquimedes37
Prensa de parafuso39
Compressor de parafusos40
Exemplo de cálculo – Ligação aparafusada com cisalhamento excêntrico41
Bibliografia48
Figura 1 - Parafuso5
Figura 2 - Exemplo de união por parafusos8
Figura 3- Partes de um parafuso9
Figura 4 - Rosca de parafuso9
Figura 5 - Montagem de peças10
Figura 6 - Movimentação de peças10
Figura 7 - Rosca triangular10
Figura 8 - Rosca trapezoidal10
Figura 9 - Rosca redonda1
Figura 10 - Rosca quadrada1
Figura 1 - Rosca dente-de-serra1
Figura 12 - Rosca direita1
Figura 13 - Rosca esquerda12
Figura 14 - Elementos gerais das roscas12
Figura 15 - Parafuso corpo cilíndrico12
Figura 16 - Parafuso corpo cônico13
Figura 17 - Parafuso corpo parcialmente roscado13
Figura 18 - Parafuso corpo totalmente roscado13
Figura 20 - Porca com assento cônico14
Figura 21 - Porca com assento esférico14
Figura 2 - Porca cega14
Figura 23 - Porca chapéu14
Figura 24 - Porca com entalhes radiais14
Figura 25 - Porca castelo15
Figura 26 - Porca com furo de fixação15
Figura 27 - Porca com parafuso de fixação15
Figura 28 - Porca quadrada15
Figura 29 - Tipos de parafusos18
aço tratado termicamente para um mínimo de 860 Mpa29

4 Figura 30 - Efeito da laminação a frio dos filetes de parafusos fabricados com

1969)29
Figura 32 - Parafuso de Arquimedes38
Figura 3 - Prensa de parafuso39
Figura 34 - Compressor de parafuso40
Figura 35 - Exemplo ligação aparafusada com cisalhamento excêntrico41

Figura 31 - Efeito da laminação da rosca antes e após o tratamento térmico em parafusos com limite de resistência à tração de aproximadamente 1.500 MPa (Madayag,

Tabela 1 - Fatores de área de cisalhamento por corte de roscas23
Tabela 2 - Propriedades mecânicas para parafusos34
Tabela 3 - Composições químicas para as classes de parafusos de aço36
Tabela 4 - Resistência de cálculos dos parafusos em ligações por contato45
dois furos)46

Lista de Tabelas Tabela 5 - Resistência de cálculo à pressão de contato na parede do furo (entre

borda)46
Tabela 7 - Força de protensão mínima em parafusos de alta resistência47

Tabela 6 - Resistência de cálculo à pressão de contato na parede do furo (furo e Tabela 8 - Resistência de cálculo à força cortante em ligações por atrito .......... 47

Introdução

O parafuso é uma peça metálica ou feito de matéria dura (PVC, plástico, vidro, madeira, entre outros), em formato cônico ou cilíndrico, sulcada em espiral ao longo de sua face externa e com a sua base superior adaptada a diversas ferramentas de fixação (cabeça do parafuso), como chave de fenda ou demais modelos.

O parafusos tem por finalidade ser o elemento de fixação de duas ou mais superfícies, combinadas ou em junções diferentes, como a madeira, parede de alvenaria (neste caso com a utilização de bucha de fixação), chapas metálicas ou numa matriz de matéria pouco dura ou dura, podendo associar o uso de porcas ou através do efeito combinado de rotação e pressão em um orifício destinado exclusivamente para recebêlo, sulcado em sentido contrário ao espiral ou não.

Figura 1 - Parafuso

História

A origem do parafuso possui algumas versões e uma destas aponta como o inventor, o grego Arquitas de Tarento (ou Archytas de Tarentum) por volta de 400 a.C., quando desenvolveu o parafuso para ser utilizado em prensas para a extração de azeite da olivas, bem como, para a produção de vinho.

Outra personalidade que desenvolveu aplicações científicas com o uso do parafuso foi Arquimedes, por volta de 250 a.C., quando desenvolveu o princípio da rosca e utilizou-o para a construção de dispositivos para a elevação de água na irrigação. Porém, é de amplo conhecimento que os romanos utilizavam, e muito, o princípio de Arquimedes para a extração de minérios em suas minas, bem como, para pivôs em portas.

Algumas evidências apontam o parafuso como parte integrante de rústicos instrumentos cirúrgicos pelos anos de 79 a.C.. O parafuso já era descrito em livros do início do século XV e anos mais tarde, Johann Gutenberg já os utilizava em sua impressora.

Leonardo Da Vinci chegou a desenhar algumas máquinas para fabricar o parafuso, mas somente em 1568 essa máquina ganhou forma quando Jacques Besson, um matemático francês, desenvolveu tal equipamento. No final do século XVII, os parafusos já eram componentes comuns nas armas de fogo. O britânico Henry Maudslay patenteou o parafuso de fenda em 1797. Abaixo segue breve descrição de cada um desses inventores:

Arquitas de Tarento

Foi um filósofo, cientista, estadista, matemático e astrônomo grego, considerado o mais ilustre dos matemáticos pitagóricos.

Fundou a mecânica matemática e influenciou Euclides. Foi o primeiro a usar o cubo em geometria e a restringir as matemáticas às disciplinas técnicas como a geometria, aritmética, astronomia e acústica. Embora inúmeras obras sobre mecânica e geometria lhe sejam atribuídas, restaram apenas fragmentos cuja preocupação central é a Matemática e a Música.

Arquimedes

Arquimedes de Siracusa foi um matemático, físico, engenheiro, inventor, e astrônomo grego, considerado um dos principais cientistas da Antiguidade Clássica.

Entre suas contribuições à Física, estão as fundações da hidrostática e da estática, tendo descoberto a lei do empuxo e a lei da alavanca, além de muitas outras. Ele inventou ainda vários tipos de máquinas para usos militar e civil, incluindo armas de cerco, e a bomba de parafuso que leva seu nome. Experimentos modernos testaram alegações de que, para defender sua cidade, Arquimedes projetou máquinas capazes de levantar navios inimigos para fora da água e colocar navios em chamas usando um conjunto de espelhos.

Johannes Gutenberg

Foi um inventor e gráfico alemão. Sua invenção do tipo mecânico móvel para impressão começou a Revolução da Imprensa e é amplamente considerado o evento mais importante do período moderno. Teve um papel fundamental no desenvolvimento da Renascença, Reforma e na Revolução Científica e lançou as bases materiais para a moderna economia baseada no conhecimento e a disseminação da aprendizagem em massa.

Leonardo da Vinci

Leonardo di Ser Piero da Vinci se destacou como cientista, matemático, engenheiro, inventor, anatomista, pintor, escultor, arquiteto, botânico, poeta e músico. É ainda conhecido como o precursor da aviação e da balística.

Jacques Besson

Foi um protestante francês, filósofo, que trabalhou principalmente como professor de matemática até que o patronado real cruzou o seu caminho. Publicou um livro sobre extração de óleos e águas de medicamentos simples, descreveu um instrumento elaborado que podia ser usado para navegação, agrimensura, cartografia e astronomia. Nomeado pelo rei Carlos IX como “Senhor das máquinas do rei", também lançou um livro e desenhos de um conjunto de instrumentos e máquinas que imaginou serem construídos.

Henry Maudslay

Foi um engenheiro e inventor inglês. Dentre outros desenvolvimentos tecnológicos aperfeiçoou o torno mecânico, utilizado na Europa desde o século XVI, criando um mecanismo que mantém a ferramenta firme durante o trabalho, aumentando em muito a sua precisão. É considerado um pioneiro do desenvolvimento das máquinas ferramenta.

Estrutura e aplicação

Mecanicamente o parafuso é um órgão que tem por fim transformar um movimento de rotação em torno do seu eixo num movimento de translação segundo esse eixo. O sistema parafuso é formado por duas peças que se moldam perfeitamente uma na outra: o parafuso propriamente dito, e a porca.

A função do parafuso como item de construção ou acessório de máquinas pode ser a de peça de ligação, de mecanismo cinemático como transformador de movimento ou como multiplicador de esforços. No primeiro caso, isto é, como peça de ligação, o parafuso vem roscar-se na porca que pode ser uma das peças a ligar (ligação de peças de estrutura ou peças de máquinas). No caso de transformação de movimento, uma das peças, a porca ou o parafuso, é fixa, deslocando-se a outra, pelo movimento de rotação dado, numa trajetória retilínea, o que é aproveitado para transmitir, então esse movimento ao ponto de aplicação; é o caso de abertura ou fecho de uma válvula de corrediça, do comando de alavancas, das prensas por parafusos.

Figura 2 - Exemplo de união por parafusos

A redução dos esforços por intermédio de parafuso pode-se obter de forma igual se houver transformação de movimentos, como nos casos atrás apontados, ou por meio de uma jogo de engrenagens especiais: parafuso sem-fim e roda dentada, em que o movimento de rotação do parafuso é transmitido, desmultiplicado, ao veio da roda dentada, situado num plano perpendicular ao eixo do parafuso.

Os parafusos se diferenciam pelo tipo de rosca, da cabeça, da haste e do tipo de acionamento.

Figura 3- Partes de um parafuso

Roscas

Rosca é um conjunto de filetes em torno de uma superfície cilíndrica e podem ser internas ou externas.

Figura 4 - Rosca de parafuso Com as roscas faz-se montagens com as peças, movimenta-se peças

Tipos de roscas Os tipos mais usuais de roscas são:

Triangular: aplica-se em parafusos e porcas de fixação na união de peças, como por exemplo, fixação da roda do carro.

Figura 7 - Rosca triangular

Trapezoidal: aplica-se em parafusos que transmitem movimento suave e uniforme, como nos fusos de máquinas.

Figura 8 - Rosca trapezoidal

Redondo: aplica-se em parafusos de grandes diâmetros sujeitos a grandes esforços, como por exemplo, equipamentos ferroviários.

Figura 5 - Montagem de peças Figura 6 - Movimentação de peças

Figura 9 - Rosca redonda

Quadrado: aplica-se em parafusos que sofrem grandes esforços e choques, como prensas e morsas.

Figura 10 - Rosca quadrada

Dente-de-serra: aplica-se em parafusos que exercem grande esforço num só sentido, como macacos de catraca.

Figura 1 - Rosca dente-de-serra

Sentido de direção de rosca Rosca direita: Rosqueia (aperta) no sentido horário (convencional).

Figura 12 - Rosca direita Rosca esquerda: Rosqueia (aperta)no sentido anti-horário.

Figura 13 - Rosca esquerda

Elementos gerais das roscas A seguir, cita-se os principais elementos de roscas de parafusos:

Figura 14 - Elementos gerais das roscas

Corpo do parafuso

O corpo do parafuso pode ser cilíndrico, cônico, parcialmente roscado ou totalmente roscado.

Figura 15 - Parafuso corpo cilíndrico

Figura 16 - Parafuso corpo cônico Figura 17 - Parafuso corpo parcialmente roscado

Figura 18 - Parafuso corpo totalmente roscado

Cabeça do parafuso

Pode-se ter para fuso sem cabeça e com cabeça. No caso dos com cabeça elas podem apresentar diversas formas: quadrada, sextavada, de tremoço (ou esférica), contrapunçoada, cónica, ou de grampo, forma que as porcas também podem tomar, além de outras, como, por exemplo, a porca de orelhas, cuja forma é estabelecida para facilitar o seu aperto manual. O parafuso que para apertar uma peça é roscado em outra peça de conjunto, ficando então fixo na peça onde está roscado e o aperto da peça a fixar é feito por meio de uma porca. Para evitar, naqueles parafusos sujeitos a vibrações, que se desapertem ou desenrosquem, empregam-se dispositivos especiais de fixação das porcas ou da cabeça do parafuso, como o emprego de anilhas de chapa, que se dobram contra uma da faces da porca; anilha de mola, anilha belleville, porcas com rasgos ou furos, por onde se introduz um troço, dupla porca, etc.

Tipos de porcas A seguir seguem os tipos de porcas mais conhecidas:

Figura 19 - Porca sextavada Figura 20 - Porca com assento cônico

Figura 21 - Porca com assento esférico Figura 2 - Porca cega

Figura 23 - Porca chapéu Figura 24 - Porca com entalhes radiais

Figura 25 - Porca castelo Figura 26 - Porca com furo de fixação

Figura 27 - Porca com parafuso de fixação Figura 28 - Porca quadrada

Tipos de parafusos

Abaixo seguem alguns tipos de parafusos:

Parafuso sem porca: Utilizado onde não há espaço para acomodar uma porca, sendo o parafuso acomodado em um furo.

Parafuso com porca: Também chamado de parafuso passante. Utiliza-se da porca e arruelas para a fixação correta.

Parafuso para pequenas montagens: Apresentam vários tipos de roscas e cabeças e são utilizados para metal, madeira e plásticos.

Parafuso de chamada (também chamado de parafuso de reclamo): O parafuso que serve para ajustar o retículo do óculo no objeto de mira, no óculo astronómico.

Parafuso de pressão: Parafuso cujo fim é o aperto de uma peça ou objeto contra outro com força considerável devido à desmultiplicação do esforço que se consegue pelo parafuso.

Parafuso diferencial: Parafuso tendo aberto no seu corpo duas roscas de passo diferente; o que faz quando o parafuso se move numa das porcas, que esteja fixa, deslocar a outra com uma amplitude de movimento diferente devido a desigualdade dos passos das roscas.

Parafuso prisioneiro: Utilizado quando se necessita montar e desmontar parafuso sem porca a intervalos frequentes.

Parafuso Allen: É fabricado com aço de alta resistência à tração e submetido a um tratamento térmico após a conformação. Possui um furo hexagonal de aperto na cabeça, que é geralmente cilíndrica e recartilhada, para a utilização da chave Allen.

Parafuso de fundação farpado ou dentado: São feitos de aço ou ferro e são utilizados para prender máquinas ou equipamentos ao concreto ou à alvenaria. Têm a cabeça trapezoidal delgada e áspera que, envolvida pelo concreto, assegurando uma excelente fixação. Seu corpo é arredondado e com dentes, os quais têm a função de melhorar a aderência do parafuso ao concreto.

Parafuso auto-atarraxante: Possui rosca de passo largo em um corpo cônico e é fabricado em aço temperado. Pode ter ponta ou não e, às vezes, possui entalhes longitudinais com a função de cortar a rosca à maneira de uma tarraxa. As cabeças têm formato redondo, em latão ou chanfradas e apresentam fendas simples ou em cruz (tipo Phillips). Esse tipo de parafuso elimina a necessidade de um furo roscado ou de uma porca, pois corta a rosca no material a que é preso.

Na figura 19, têm-se demais tipos de parafuso:

18 Figura 29 - Tipos de parafusos

Padronização

O elemento comum entre os vários fixadores é a rosca. Em termos gerais, a rosca é um filete que faz com que o parafuso avance sobre o material ou porca quando rotacionado. As roscas podem ser externas (parafusos atarrachante) ou internas (porcas de furos roscados).

Após a Segunda Guerra Mundial, foram padronizados na Inglaterra, no Canadá e nos EUA no que hoje se conhece como série Unified National Standard (UNS). O padrão europeu é definido pela ISO e tem essencialmente a mesma forma da seção transversal da rosca, usamos, porém, dimensões métricas e, portanto, não é intercambiável com as roscas UNS.

UNS (americana) -> ângulo 60° -> fios por polegada ISO (métrica) -> ângulo 60° -> passo em m Withworth -> ângulo 55° -> fios por polegada

O comprimento L da rosca é a distância que uma rosca avançará axialmente com a revolução da porca. Se for uma rosca simples (com uma entrada) o avanço irá igualar o passo. Parafusos podem ser feitos com roscas múltiplas, também chamadas de rosca de múltiplas entradas.

Avanço = Passo x Nº de entradas

As roscas múltiplas têm a vantagem de avançar mais rapidamente sobre a porca com capacidade de transmitir maior potência. As rosca simples resistem mais à vibrações, resistindo mais ao afrouxamento.

Três séries padrão de famílias de diâmetro primitivo são definidas para as roscas de padrão UNS, passo grosso (UNC), passo fino (UNF) e o passo extrafino (UNEF).

Série grossa -> aplicações comuns que requerem repetidas inserções e remoções do parafuso ou onde o parafuso é rosqueado em material mole.

Série fina -> mais resistentes ao afrouxamento decorrente de vibrações que as roscas grossas por causa de seu menor ângulo de hélice.

Série ultrafina -> utilizadas onde a espessura do passo é limitada e suas roscas pequenas são uma vantagem.

Os padrões Unified National e ISO definem intervalos de tolerância para roscas internas e externas de maneira a controlar seu ajuste. A UNS define 3 tipos de classes chamadas 1, 2 e 3. A classe 1 possui as tolerâncias mais largas e utiliza fixadores de “qualidade comercial” (pouco custosos) para o uso casual em residências, etc. a classe 2 define tolerâncias mais estreitas para uma melhor qualidade de encaixe entre as partes e é adequado para uso geral em projeto de máquinas. A classe 3 é de maior precisão e pode ser especificada quando ajustes mais precisos são requeridos. O custo aumenta com classes de ajustes mais altas. Outra designação diferencia roscas A (externas) e B (internas). Exemplo de especificação:

Rosca externa de diâmetro 0,25 inch (polegada) com 20 fios por polegada, série grossa, classe 2 de ajuste.

ROSCA MÉTRICA: M8 x 1,25 Rosca ISO comum de 8 m de diâmetro por 1,25 m de passo de hélice.

Todas as roscas padrão são de mão direita (RH – right hand) por padrão, a menos que haja especificação em contrário por adição das letras LH (left hand) à especificação.

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