(Parte 3 de 4)

Stephens et al. (2006) pesquisaram a influência da laminação a frio da rosca, antes e após o tratamento térmico, na resistência à fadiga de parafusos com rosca grossa e de alta resistência mecânica pra múltiplas condições de pré-carga. Para isso, utilizou parafusos da classe ISO 12.9 fabricados com aço SAE 8640, porém com perfil de rosca 3/8 UNRC-16. As pré-cargas utilizadas foram 1, 50, 75, 90 e 100 % da tensão de prova dos parafusos com rosca laminada antes do tratamento térmico. A resistência à fadiga de roscas laminadas após tratamento térmico com pré-carga de 1 % obteve um aumento de

147 % na resistência à fadiga baseado em Sa (tensão alternada) e 107 ciclos quando comparado com roscas que foram laminadas antes do tratamento térmico. Isso está em acordo com resultados de comparação entre roscas laminadas antes e após o tratamento térmico para razões de cargas (R) baixas. No entanto, utilizando uma alta pré-carga, a resistência à fadiga de roscas com laminação após tratamento térmico não aumentou.

Kephart (2006) estudou a suscetibilidade de parafusos com diferentes processos de fabricação da rosca ao fenômeno da corrosão sob tensão (CST). Kephart mostrou que parafusos com rosca usinada de um material de alta resistência mecânica (ASTM A193 B-7 e A354 Classe 8), que foram expostos a um ambiente agressivo contendo 8 % em peso de nitrato de amônio fervente e solicitados por volta de 40 % do limite de escoamento do aço, sofreram o fenômeno da CST intergranular em apenas um dia. Em condições de ensaio similar, os parafusos com rosca laminada antes do tratamento térmico (têmpera e revenido) apresentaram uma suscetibilidade ao fenômeno da CST similar aos parafusos com rosca usinada. No entanto, parafusos com rosca laminada após tratamento térmico não exibiram o fenômeno da CST após uma semana de exposição, até mesmo quando solicitados a 100 % do limite de escoamento da liga B-7.

Este efeito benéfico do processo ótimo de laminação da rosca (laminação da rosca após tratamento térmico) ocorre devido aos altos níveis de tensão residual de compressão na raiz da rosca (entalhes).

Influência do tipo de conexão parafuso/porca

As porcas são fabricadas em várias formas geométricas. A pergunta que surge é qual a geometria que garante uma maior vida em fadiga e possui a maior capacidade de carga, para o caso de parafusos conectados com porcas padronizadas. Embora muitos aspectos da conexão parafuso/porca têm sido estudados extensivamente por muitos pesquisadores, uma menor atenção tem sido dada ao estudo do efeito da geometria da porca, arruelas de pressão e materiais de vedação na vida em fadiga de parafusos (Majzoobi, 2005).

Dragoni (1992) examinou o efeito da geometria da porca utilizando fotoelasticidade. Ele mostrou que entre os parâmetros, tais como: passo da rosca, espessura radial da borda e o comprimento da borda, em uma porca cônica com fresta, o comprimento da borda é o parâmetro mais eficaz para reduzir a concentração de tensão. Os resultados de Dragoni indicaram que o fator de concentração de tensão pode ser reduzido de 7 para 4 usando um comprimento adequado de borda.

Majzoobi (2005) investigou o efeito da geometria da porca, da arruela de pressão e de um material de vedação (fita Teflon) na resistência à fadiga de parafusos ISO M12 e M16. Além disso, foi realizado um estudo da distribuição de tensões axial e de flexão na rosca por simulação numérica de conexões parafuso e porca utilizando o método de elementos finitos. Os resultados experimentais mostraram que entre a porca hexagonal simples, a porca cônica e a porca cônica com frestas, a que obteve a vida em fadiga mais alta foi a porca cônica com frestas. A presença de uma arruela de pressão também aumenta a vida em fadiga, desde que o torque de aperto seja aplicado corretamente para produzir uma pré-carga no parafuso. O uso da fita Teflon como um material de preenchimento entre o parafuso e a porca tem mostrado um aumento significante na vida em fadiga. Em geral, a mais alta vida em fadiga foi obtida para a porca cônica com fresta utilizando arruela de pressão. Embora não considerada nos experimentos, uma combinação da porca cônica com frestas, com a arruela de pressão e com a fita Teflon é de se esperar um aumento ainda maior da resistência à fadiga do conjunto.

Influência da instalação do parafuso na resistência à fadiga

O carregamento imposto nos parafusos é um fator muito importante na falha por fadiga. Quando colocado em serviço, é mais provável que o parafuso falhe por fadiga se a montagem envolver leves vedações ou flanges, ou se o parafuso não for alinhado e apertado corretamente. A resistência à fadiga está também relacionada com a força de aperto. Em muitas montagens, certa força mínima de aperto é necessária para garantir tanto o alinhamento correto do parafuso em relação a outros componentes da montagem como a pré-carga correta no parafuso. O alinhamento garante que o parafuso não estará sujeito a carregamento excêntrico inadequado, e a pré-carga correta garante que a tensão média adequada seja estabelecida para a aplicação. Em alguns casos, tensões de aperto que excedem o limite de escoamento podem ser desejáveis; experimentos têm mostrado que parafusos apertados além do limite de escoamento têm melhor resistência à fadiga do que parafusos apertados abaixo do limite de escoamento (ASM Comittee on Threaded Steel Fasteners, 1993).

Seleção de materiais e suas propriedades para parafusos

Embora a composição química possa ser um fator importante quando se especificam e selecionam parafusos para diversas aplicações (particularmente quando as aplicações requerem serviço em elevada temperatura, resistência à corrosão ou boa temperabilidade com propriedades de tenacidade adequadas), o critério primário na seleção de parafusos envolve a especificação dos níveis de resistência mecânica. Consequentemente a graduação ou classe de parafusos, prisioneiros e porcas são amplamente utilizados para designar os vários níveis de resistência mecânica ou desempenho de prendedores com rosca nas especificações desenvolvidas pela Sociedade dos Engenheiros Automotivos (SAE), Organização Internacional de Normalizações (ISO), a Sociedade Americana de Ensaios e Materiais (ASTM) e/ou Instituto de Prendedores Industriais (IFI). Isso permite o comprador de parafusos, prisioneiros e porcas de aço selecionar o nível de resistência mecânica desejado por meio de especificações da SAE, ISO, ASTM ou IFI. O produtor então seleciona um aço particular que satisfaz a vasta variação de composição química permitidas por essas especificações. Isso possibilita ao produtor utilizar o material mais econômico consistente com seus equipamentos e procedimentos de produção que satisfaçam as propriedades especificadas. A resistência mecânica e as designações das propriedades de parafusos e prisioneiros são tipicamente baseadas no limite de resistência à tração mínimo, enquanto que as designações da classe de porcas são tipicamente baseada na tensão de prova. (ASM Comittee on Threaded Steel Fasteners, 1993).

Algumas propriedades requeridas pelas classes de parafusos são dadas pela

Tabela 2 (ISO 898-1, 1999).

Diversos aços de baixo carbono, médio carbono e ligas são utilizados na fabricação das diferentes classes de parafusos para trabalharem entre -50 e 200 ºC. Além do efeito da composição química do aço na resistência à corrosão e nas propriedades a elevada temperatura, a temperabilidade do aço utilizado em prendedores com rosca é importante quando se seleciona a composição química do aço. À medida que a resistência mecânica requisitada e o tamanho da seção aumentam, a temperabilidade do aço se torna um fator importante (ASM Comittee on Threaded Steel Fasteners, 1993).

A Tabela 3 apresenta as composições químicas para as classes de parafusos de aço dadas na Tabela 2.6 (ISO 898-1, 1999). O fabricante de parafusos pode escolher qualquer aço dentro da limitação de cada classe, dados pela Tabela 3, para obter as propriedades especificadas na Tabela 2.

Tabela 2 - Propriedades mecânicas para parafusos

Inovações nos materiais utilizados em parafusos

Os engenheiros, quando projetam parafusos, devem escolher materiais que garantam a máxima resistência mecânica. Se o material escolhido puder ser utilizado no parafuso com um número de etapas inferior ao processo tradicional, então a companhia que fabrica esses parafusos pode economizar tempo e dinheiro (Goss, 1997).

Normalmente, parafusos de alta resistência mecânica são produzidos de um fiomáquina recozido. O fio é conformado a frio no formato do parafuso e roscado. Um tratamento térmico, têmpera e revenido, fornece ao parafuso as propriedades mecânicas necessárias. No entanto, desenvolvimentos recentes têm levado a parafusos de alta resistência mecânica a partir de aço encruado, o que elimina o recozimento do fio e um posterior tratamento térmico no parafuso. Além disso, este novo processo oferece muitos benefícios no desempenho desses parafusos, tais como: aumento do limite de resistência à fadiga, menor suscetibilidade ao fenômeno da fragilização por hidrogênio e propriedades mecânicas mais altas (Goss, 1997).

36 Tabela 3 - Composições químicas para as classes de parafusos de aço

Exemplo de aplicações

Parafuso de Arquimedes

Esta máquina originalmente era constituída por um parafuso colocado dentro de um tubo cilíndrico oco. Pode ser vista como um plano inclinado (outra máquina simples) envolvido por um cilindro. A extremidade mais baixa é colocada na água e o parafuso é rodado (antigamente por um moinho de vento ou mesmo manualmente, atualmente por um motor elétrico). À medida que a extremidade inferior do tubo roda, este arrasta um determinado volume de água, que, à medida que o veio roda, vai deslizando para cima ao longo do parafuso até sair pela extremidade superior do tubo.

O espaço entre o parafuso e o cilindro não tem que ser estanque, uma vez que a quantidade de água arrastada pelo tubo a cada volta é relativa à velocidade angular do parafuso. Além disso, a água em excesso na secção mais elevada do parafuso é vertida para a anterior e assim sucessivamente, atingindo-se um tipo de equilíbrio durante a utilização desta máquina, o que evita a perda de eficiência da mesma.

O parafuso não tem que obrigatoriamente girar dentro do cilindro, mas pode girar em conjunto com este desde que solidariamente. O espaço entre o parafuso e o cilindro pode ser vedado (por exemplo com uma resina) ou se o mecanismo for constituído por uma peça inteira de bronze, como supostamente era o caso na Babilónia.

Na antiguidade foram utilizados em sistemas de irrigação, pelos romanos, para retirar água de minas e mais tarde seriam utilizados pelos neerlandeses acoplados a moinhos de vento para drenar os pôlders. Podem também ser utilizados para bombeamento de lamas, concreto e esgotos, uma vez que os sólidos não causam grandes problemas de funcionamento.

A partir da década de 1970, os Países Baixos aperfeiçoaram o parafuso de

Arquimedes e este tipo de máquina hidráulica é muito utilizado atualmente em todo o mundo, sobretudo para grandes caudais e pequenas alturas (altura máxima de 5,0 m).

38 Figura 32 - Parafuso de Arquimedes

Prensa de parafuso

A prensa de parafuso é um exemplo de mecanismo que usa parafuso. Constituise em uma base, duas colunas laterais - dispostas linearmente nas extremidades centrais da base cobertas por uma travessa, geralmente de metal resistente e de espessura razoável, trespassada por um parafuso de secção quadrada.

Na parte superior desse parafuso temos uma alavanca de manejo ou uma roda.

Na parte inferior, uma placa móvel, conectada ao parafuso e limitada pelas colunas laterais.

Ela é muito usada no trabalho de encadernador e na produção doméstica de papel. O material a ser prensado é colocado entre a base e a placa móvel. Girando-se a alavanca de manejo ou volante, a placa móvel é fortemente pressionada contra a parte superior do material, prensando-o contra a base. Cada prensa, dependendo da secção do parafuso, tem uma capacidade diferente de prensagem.

Figura 3 - Prensa de parafuso

Compressor de parafusos

Esse tipo de compressor possui dois rotores em forma de parafusos que giram em sentido contrário, mantendo entre si uma condição de engrenamento. A conexão do compressor com o sistema se faz através das aberturas de sucção e descarga, diametralmente opostas: O gás penetra pela abertura de sucção e ocupa os intervalos entre os filetes dos rotores. A partir do momento em que há o engrenamento de um determinado filete, o gás nele contido fica encerrado entre o rotor e as paredes da carcaça. A rotação faz então com que o ponto de engrenamento vá se deslocando para a frente, reduzindo o espaço disponível para o gás e provocando a sua compressão. Finalmente, é alcançada a abertura de descarga, e o gás é liberado. De acordo com o tipo de acesso ao seu interior, os compressores podem ser classificados em herméticos, semi-herméticos ou abertos. Os compressores de parafuso podem também ser classificados de acordo com o número de estágios de compressão, com um ou dois estágios de compressão (sistemas compound).

Figura 34 - Compressor de parafuso

Exemplo de cálculo – Ligação aparafusada com cisalhamento excêntrico Têm-se calculada a ligação mostrada na figura 35.

Figura 35 - Exemplo ligação aparafusada com cisalhamento excêntrico

Considerações:

O método usual de dimensionamento de ligações com cisalhamento excêntrico é o elástico, a seguir aplicado: Os esforços nos parafusos são obtidos pela superposição dos dois efeitos:

O esforço vertical de 110 KN atuando no centro de gravidade do conjunto, originando esforço de cisalhamento igual nos seis parafusos.

Momento torçor cisalhando o conjunto de parafusos, admitindo-se as seguintes hipóteses: as placas de ligação são perfeitamente rígidas e os parafusos perfeitamente elásticos; a rotação da ligação produz deformação por cisalhamento nos parafusos que são proporcionais e normais ao raio que vai do centro de gravidade do conjunto de parafusos ao parafuso considerado.

Solicitação de parafusos

Devido ao esforço vertical

Devido ao momento

tenham área unitária:

Esforço no parafuso mais solicitado: Os quatro parafusos mais distantes do centro de gravidade são os mais solicitados.

Esforço resultante no parafuso: Considerando os esforços Fm e Fv, os parafusos mais solicitados são os dois extremos do lado da carga de 110KN.

As componentes de Fm são:

Verificação dos parafusos

- Corte do parafuso (NBR 80) Verificação da pega (NBR 80, 7.3.2.3) espessura da chapa de ligação mais espessura da mesa da coluna:

12,5+25=37,5mm, é menor que 5 x d=5 x 2,2=112,5mm (OK)

Resistência do parafuso ao corte: pela tabela 4, considerando parafuso ASTM A-325 com d=7/8in e a rosca situada no plano de corte, a resistência de corte é: =87,38

- Resistência à pressão de contato nos furos (NBR 80, 7.3.2.4) O cálculo será feito para a chapa da ligação que é menos espessa que a mesa da coluna e tem as mesmas distâncias entre centros de furos e bordas.

Considerando as tabelas 5 e 6 para AÇO ASTM A-36, parafusos d = 7/8” e espessura de chapa de 12,5 m, a resistência à pressão de contato.

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