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ESTUDO SOBRE APLICAÇÕES DE CONTROLE DE TORQUE EM
JUNTAS APARAFUSADAS
José Clarisvaldo Santos Junior Paulo Cesar Cruz de Souza Junior Warlen Araes ORIENTADOR: Prof. Douglas Eduardo Lourenço
RESUMO
Juntas aparafusadas são largamente aplicadas em uniões de fixação mecânica, constituídas basicamente de elementos de fixação não-permanentes, neste caso parafuso, porca e arruela; e das peças a serem unidas. Para a realização de tal união de forma qualitativa e precisa, devido ao emprego da junta, se faz necessária à utilização de ferramentas e métodos específicos que apliquem e controlem o torque pré-determinado para a ideal conformidade da união da junta, controle de torque este que visa tanto o máximo desempenho dos elementos constituintes da junta, de maneira a viabilizar custos, como a garantia de qualidade e segurança para o emprego da junta, considerando assim a qualidade do aperto. O presente trabalho apresenta uma abordagem geral sobre os principais elementos e características que compreendem uma junta parafusada com aplicação e controle de torque no aperto da mesma, a fim de preparar o leitor com um conhecimento prévio que servirá como base para o decorrer do trabalho e até as análises e considerações finais. Palavras-chave: Parafuso. Juntas aparafusadas. Torque. Aperto por torque-ângulo.
- INTRODUÇÃO
A mais comum operação de fixação utilizada na indústria é a união de peças por meio do rosqueamento de um elemento ao outro, ou seja, o aparafusamento por meio de fixadores que geram uniões desmontáveis.^1 Na rotina do sistema produtivo automotivo são realizados aproximadamente 3000 apertos na manufatura de um veículo.^2 Com representação de cerca de 1% do valor agregado do produto apenas, os fixadores são utilizados em um grande número de aplicações, o que lhes conferem uma porcentagem significativa nas falhas por erros de utilização e aplicação dos mesmos. 3 Quando tal união de peças necessita de um maior nível de qualidade no controle do aperto, principalmente quando se trata de juntas críticas, faz-se necessário a utilização de métodos que possam garantir as exigências de segurança
da junta em questão. Dentre os mais utilizados atualmente estão o aperto por controle de torque (torque “seco”), por controle de torque e ângulo de deslocamento e aperto controlado até o limite de escoamento do fixador. 4 O presente trabalho tem como objetivo estudar e comparar o método de aperto por controle de torque de um processo de união de uma junta de caso crítico, com o método de controle de torque e ângulo de deslocamento, de forma a identificar qual dos tipos de controle possibilita uma melhor qualidade de fixação na junta, analisando os benefícios e as possíveis consequências do emprego de cada um. O motivo de interesse de tal estudo coloca-se em contrapartida com os dados crescentes de problemas da engenharia de aperto de fixadores, em especial no setor automotivo, que influenciam diretamente na segurança, confiabilidade, conforto e satisfação do cliente final^2 , onde a ausência ou até mesmo a aplicação e controle de torque no elemento de forma errônea pode ocasionar, dentre outros fatores, o afrouxamento da junta, bem como gerar cargas excessivas, causando desgastes no parafuso e nos demais elementos constituintes da junta e, por conseguinte, acarretar falhas e danos no componente, envolvendo partes humanas nos casos de maior gravidade. Por fim, o tema pode ser considerado um dos principais seguimentos pontificados e de fundamental importância do conhecimento do profissional de engenharia mecânica, sendo este um setor ainda em desenvolvimento tecnológico específico que as empresas investem para promover redução de custos, riscos e vistas à qualidade da empresa para o cliente final.^5
- METODOLOGIA
Após todo embasamento teórico, propôs-se uma demonstração prática através de uma análise comparativa entre dois processos de torque controlado: torque “seco” e torque-ângulo de deslocamento, onde foi utilizado um caso de fixação de um freio tipo tambor em um eixo de caminhão. Para consolidar o objetivo proposto, utilizou-se do recolhimento de uma série de dados de 1000 apertos de controle de torque a serem comparados. Com a análise desses dados foi possível a construção de dados estatísticos dos apertos. Então, com base em normas ISO e SAE sobre as características mecânicas de fixadores, com referências sobre dimensionamento de juntas críticas
A variação da pré-carga é dada por vários fatores de características da rosca, da superfície da junta, etc. Portanto, para cada caso, haverá uma pré-carga mínima e máxima pertinente às particularidades das condições do aperto.^7 No aperto, devido ao deslocamento linear resultante da rotação do parafuso, considerando o passo da rosca como também a capacidade de deformação dos componentes, se produz um alongamento do parafuso (f ) e consequentemente uma compressão das contra-peças da junta (f ). Este comportamento elástico dos componentes que se assemelha a uma mola pode ser explanado através do diagrama de união (Figura 1).6,
Figura 1 - Fenômenos de deformações das contra-peças da junta e do parafuso após o aperto do conjunto
Fonte: 8
Durante o estado de operação da junta, há cargas externas agindo na mesma. Estas cargas geram uma componente axial (F ), paralela ao eixo da junta. Devido à ação da força axial na junta e sendo esta maior que a pré-carga no parafuso, acrescenta-se então uma carga de tração (F ) no mesmo e diminui-se a carga de compressão das contra-peças da junta (F ). Neste caso, tanto o parafuso como as contra-peças tem o mesmo valor de alongamento (f = f (^) ). A proporção da distribuição de forças depende da capacidade de deformação das contra-peças e das localizações de ação das forças, determinando assim o aumento de carga no parafuso como também a carga residual necessária de união das contra-peças (F ) (Figura 2).6,
Figura 2 - Fenômeno de deformação das contra-peças da junta e do parafuso previamente unidos e sob carga externa de trabalho
Fonte:^8
Considerando o comportamento da junta aqui descrita, o parafuso deve estar dimensionado de modo que forneça a junta uma força mínima de união, mesmo em condições de trabalho, evitando assim a separação das contra-peças quando estas estão sendo solicitadas, sem que exceda principalmente seu limite de resistência à tração e também os limites de resistência ao escoamento das contra-peças. Tal força de união é uma resposta ao conjunto de forças que os elementos roscados desenvolvem em proporção ao torque aplicado. 5 Ainda no processo de análise dos esforços sofridos pelos componentes da junta, podemos alcançar três condições de fixação: A primeira trata-se de uma união conservadora, onde promovemos a fixação da junta de modo a não deformar permanentemente nenhum dos componentes, ou seja, alcançamos o clamping load bem antes de expormos os componentes a seus limites de escoamento (Figura 3). 9
Figura 3 – Condição conservadora de uma junta aparafusada exemplificada pelo diagrama de união
Fonte:^9
3.3 Resiliência
A resiliência é a capacidade de deformação no regime elástico de um material em razão da aplicação de uma carga constante. Na medida em que se aumenta a resiliência de um corpo, expande-se a flexibilidade do mesmo. É essencial o conhecimento das resiliências dos componentes da junta para o entendimento eficaz do comportamento elástico da mesma, pois elas influem diretamente nas deformações dos componentes da junta devido à ação de forças de montagem. A resiliência se baseia na lei de Hooke, que relaciona os conceitos de tensão e deformação (Equação 1).^6
δ = . ^ (Eq. 1)
Em uma junta aparafusada, tem-se a resiliência do parafuso (δ ) e a resiliência total das contra-peças constituintes da junta (δ ). Ambas podem ser obtidas pelo método teórico, tendo em vista realizar considerações que levam as variáveis geométricas de cada ou por meio de ensaios práticos na junta através do processo de aperto do parafuso. No método experimental é extraída a resiliência combinada da junta, ou seja, o somatório da resiliência do parafuso e das contra- peças.
3.4 Classes de resistências
Dentre todos os elementos de fixação existentes na engenharia, os parafusos, prisioneiros e porcas, possuem requisitos normalizados de acordo com suas propriedades mecânicas e químicas, determinando assim suas capacidades máximas e mínimas em exercerem força de união em uma junta.^10 A norma ISO 898-1, por exemplo, segmenta os fixadores (parafusos e prisioneiros) métricos em 10 classes de resistências, são estas: 3.6, 4.6, 4.8, 5.6, 5.8, 6.8, 8.8, 9.8, 10.9 e 12.9. Cada classe possui um tipo de liga metálica, contendo suas porcentagens de componentes químicos e o tipo de tratamento térmico para aquele material em específico. Cada classe possui valores nominais e mínimos de resistências mecânicas, tendo como principais a resistência à tração (R (^) ) e a resistência ao escoamento (R (^) , ). Há também para cada classe valores mínimos e
máximos de dureza (Tabela 1).
De modo a exemplificar os números que representam as classes, pode-se fazer uso de um fixador classe 8.8. O primeiro número desta classe multiplicado por 100 resulta na resistência à tração nominal (R (^) ), resultando em 800 MPa (8 x 100). Por fim, o segundo número corresponde ao valor em porcentagem que deve ser multiplicado pelo valor da resistência à tração nominal, obtendo assim o limite de resistência ao escoamento nominal (R (^) , ), neste caso 640 MPa (800 MPa x 0.8).^11
Estes valores de resistências são considerados apenas para esforços axiais durante o aperto do fixador, devendo utilizar equações que considerem também esforços torcionais. 10
Tabela 1 – Propriedades mecânicas para fixadores métricos de classe 9.8, 10.9 e 12.
Propriedades Mecânicas
Classes de Resistências 9.8 10.9 12.
Resistência à tração Rm (MPa)
Nom. 900 1000 1200 Mín. 900 1040 1220 Limite de escoamento Rp0,2 (MPa)
Nom. 720 900 1080 Mín. 720 940 1100 Dureza (HRC) Mín. Máx.^2837 3239
Fonte: 12
Já as porcas normalizadas pela ISO 898-2 se apresentam nas classes 4, 5, 6, 8, 9, 10 e 12. Os valores de resistência a tração (S (^) ) e durezas variam em função dos diâmetros nominais (entre 4 e 100 mm) e das alturas das porcas (Tabela 2).
Tabela 2 - Propriedades mecânicas para porcas métricas de classe 9, 10 e 12
Rosca
Classe 9 Classe 10 Classe 12 S (MPa)
Dureza (HRC) S (MPa)
Dureza (HRC) S (MPa)
Dureza (HRC) Mín. Máx. Mín. Máx. Mín. Máx. M4 900
1040
28 38
1140
28 38
M4 → M7 915 1040 1140 M7 → M10 940 1040 1140 M10 → M16 950 1050 1140 M16 → M39^920 1060 Fonte: 13
da aplicação do torque e também extrair algumas características fundamentais do elemento fixador (Figura 6).
Figura 6 – Curva Força-Ângulo genérica
Fonte: 15
Na primeira região, ocorre a fase de assentamento. Nesta fase ainda não há uma proporcionalidade linear da força tensora em relação ao ângulo de deslocamento do parafuso, devido à acomodação dos componentes da junta. Mesmo após estas superfícies estarem em contato, há pequenas discordâncias geométricas e superficiais que precisam ser vencidas até a junta, com todos os seus elementos, iniciar sua fase elástica. Estes erros podem ser devido às rugosidades excessivas das superfícies de contato entre componentes, tolerâncias geométricas de paralelismo etc. Após a compensação destes erros, atinge-se então no processo de aparafusamento o torque de assentamento da junta, ou Snug-Torque. A partir deste ponto inicia-se o regime elástico da junta. Nesta região, o aumento da força tensora de montagem é diretamente proporcional ao aumento do ângulo de rotação do parafuso, isso permite o seu alongamento linear sem que haja fratura. Se caso nesta região o aperto do parafuso cessar, o mesmo irá retornar ao seu comprimento inicial.^9
Inserindo-se no regime elástico do parafuso, é possível equacionar a relação do ângulo de giro com a força tensora de montagem, tendo em consideração a somatória de resiliências dos componentes da junta. Fazendo-se uso do gráfico Força/Ângulo, a resiliências total da junta pode ser obtida através do gradiente de força específica, que é resultado do incremento de força para cada grau de deslocamento angular (N/α) (Equação 2).6,9,
α = ° . F . (δ + δ ) (Eq. 2)
Em consequência da aplicação do torque no parafuso, o mesmo foi submetido simultaneamente a duas tensões básicas durante a montagem; uma tensão axial que traciona o parafuso, que em contrapartida comprime as contra-peças da junta, com ou sem o auxílio da porca; e associada a esta uma tensão torcional na rosca do parafuso. A tensão de tração no estado uniaxial no parafuso é dada pela razão da força tensora de montagem com a área transversal resistiva da rosca (Equação 3).
σ = (Eq. 3)
Já a tensão torcional é o resultado do torque atuante na rosca, fracionada pelo momento polar resistente da seção transversal da mesma (Equação 4).
τ = (Eq. 4)
É possível calcular a tensão equivalente deste estado combinado das tensões na região roscada do parafuso, a partir da analogia da energia de deformação em um estado uniaxial de tensão (Equação 5).
σ = σ ^ + 3. τ ^ (Eq. 5)
Relacionando a tensão equivalente do estado combinado de tensões com a tensão de tração do estado uniaxial, determina-se a capacidade de geração de força através do rendimento do parafuso durante o seu aperto (Equação 6).6,
Quando o aumento de resistência não for mais suficiente para compensar a redução de área resistiva, a força tensora de montagem entrará na fase plástica do parafuso, diminuindo sua grandeza até o ponto de ruptura do parafuso, circunstância intolerável para uma junta aparafusada. 9 Com o objetivo de visualizar a faixa de ductilidade do parafuso, traça-se uma reta inclinada no gráfico Força/Ângulo paralela a reta do regime elástico, a partir do ponto da curva onde a força tensora máxima diminui em 1% adentrando na região de ruptura. Cruzando-se esta reta com o eixo do ângulo de deslocamento do gráfico, pode-se definir um valor que, subtraído pelo ângulo obtido pela interseção da reta do regime elástico com o mesmo eixo, resultará num intervalo de ângulo que corresponde a capacidade de deformação permanente do parafuso. 9,
3.7 Métodos de aperto e controle de torque
Analisado e compreendido os fenômenos que ocorrem no parafuso durante o seu aperto, a partir de um gráfico Torque/Ângulo, pode-se discorrer e entender as principais técnicas de aperto e controle de torque existentes na indústria, onde possuem modernos processos de manufatura, principalmente aquelas voltadas para a fabricação de itens que envolvem segurança. As técnicas atuais não medem diretamente a pré-carga produzida, mas sim indiretamente, em função do torque aplicado, da deformação elástica, do ângulo de giro ou pela determinação da tensão limite de escoamento do parafuso. Em todos os casos citados, há uma grande variação de pré-carga devido aos níveis de tração e torção que o parafuso sofre. O motivo pelo qual isto ocorre se deve à alta dispersão dos coeficientes de atrito e aos erros intrínsecos dos métodos de controle de aperto. 6 Exemplificando este fato, quando, para uma junta aparafusada com pré-carga determinada, for suficiente um parafuso M10 apertado pelo processo de controle de torque e ângulo de deslocamento até a sua região elasto-plástica, deve-se selecionar um parafuso M18, mantendo sua classe de resistência, no caso deste parafuso for apertado mediante o uso de uma chave de impacto, onde a exatidão do aperto é notoriamente baixa.^6 É imprescindível ao engenheiro levar em consideração o grau de dispersão que o método de aperto utilizado pode gerar em relação à pré-carga, visto que a
junção de um método de aperto inadequado com uma pré-carga insuficiente é o principal agravante para que ocorra a falha de aperto do fixador.^7 Há diversas ferramentas de aperto disponíveis no mercado, devendo categorizá-las de acordo com sua forma de acionamento e controle como também a sua precisão. As chaves de impacto pneumáticas dispõem do aperto através de impactos gerados por golpes de maneira contínua e em intervalos de tempo sincronizados. Estas ferramentas têm como vantagem robustez e flexibilidade de utilização, porém, são imprecisas, em torno de 20 e 30% (dependendo da habilidade do operador), não permitindo o controle do torque efetivo. 2, Em contrapartida com as chaves de impacto pneumáticas, as chaves por acionamento hidráulico promovem o aperto através de sistema de pressão do óleo, todavia, não são aplicadas em atividades que necessitem do controle de torque. As mesmas possuem uma precisão em torno de 10 a 20%. 2, Comparando as principais ferramentas onde é possível fazer uso do controle de torque, as parafusadeiras são ferramentas de pequeno porte que trabalham em uma faixa de 4 a 12 Nm, já as apertadeiras possuem faixas partindo desde 10 até 1500 Nm. Ambas possuem acionamento tanto pneumático como elétrico. Com a utilização de um sistema de engrenagens, estas ferramentas são preferíveis em sistemas de qualidade e segurança mais exigentes, pois possibilitam o controle contínuo do processo de aperto pelo controle da corrente elétrica, com o auxílio de uma unidade controladora. Estas, dependendo do equipamento utilizado, variam sua precisão entre 6 a 8%. 2,
3.7.1 Aperto por controle de torque (torque “seco”)
Para obter a pré-carga mínima em uma junta aparafusada, assim como todos os parâmetros estabelecidos pela engenharia, é preciso fazer uso da aplicação e de um posterior controle do torque na cabeça do parafuso ou na porca, lembrando que esta aplicação deve ser feita na junta original. 6, O torque total produzido no fixador se faz do somatório do torque produzido para vencer a força de atrito na rosca e do torque produzido na cabeça do parafuso ou na porca para vencer a força de atrito da superfície de assentamento na contra- peça. Deste modo, é possível descrever uma equação que soma estas duas condições (Equação 9).6,
Figura 7 - Esquematização gráfica de um processo de aplicação de controle de torque
Fonte:^9
Devido à aprovação deste método ser somente pelo torque resultante, a força tensora de montagem do parafuso, item de interesse, é imprecisa, pois está sujeita à elevada dispersão do ângulo do aperto e dos fatores tribológicos e geométricos da junta, isto é, da ampla gama de coeficientes de atrito e das tolerâncias das dimensões da rosca. Portanto, este método de controle de torque se mostra instável, pois não garante uma força tensora estável, há ocorrência do alongamento do parafuso e não é recomendável para juntas críticas.^9
3.7.2 Aperto por controle de torque e ângulo de deslocamento
Tal aplicação consiste em um aperto dado ao parafuso por meio de um processo de controle que, a partir de um pré-torque designado em projeto, começa- se a realizar um controle do ângulo da rotação do parafuso dentro de uma janela estabelecida (Figura 8).^9
Figura 8 - Esquematização de um processo de aperto por Torque & Ângulo de Deslocamento
Fonte:^9
Desta forma, o aperto por controle de torque e ângulo de deslocamento faz-se suficiente seguro para juntas críticas, pois suas variáveis especificam uma condição de uma força tensora mínima, permite um controle das condições de contorno e dispensa qualquer possibilidade do equipamento aplicar o torque e não alcançar a força tensora esperada.^9 Para apertos onde a força tensora de montagem exceda o limite de escoamento do elemento, pode considerar um valor pequeno de dispersão da força tensora devido a fatores como coeficiente de atrito, alongamento do parafuso, etc. Porém ainda são valores com faixas de erros aceitáveis e controladas.^6 De maneira empírica, tem-se percebido que esta técnica de aparafusamento tem mostrado sua efetividade quando o parafuso atinge seu regime elasto-plástico, visto que nessa fase de suas propriedades mecânicas a curva gráfica da relação torque-ângulo tende a uma linha reta, sendo assim, os erros por dispersão de ângulo tornam-se desprezíveis.^6 Logo, pode-se ver a versatilidade e viabilidade desta aplicação, apesar de ser um processo utilizado com ferramentas e equipamentos eletroeletrônicos e nem sempre de simples utilização.
3.7.3 Aperto por controle de escoamento (Yield Point)
Trata-se do aperto por controle da força no limite do escoamento. O parafuso é apertado até que este limite seja atingido. Este processo tem como base a medição da inclinação da razão entre o torque e o ângulo de aperto. Um equipamento eletroeletrônico de controle detecta quando é alcançado o limite de escoamento. Neste ponto o gradiente cai, pois há detecção do início da deformação do parafuso ocasionada pelo avanço do ângulo de rotação. Assim, o equipamento eletroeletrônico desliga o motor que gera o aperto. Isto ocorre entre o regime plástico e o elasto-plástico (Figura 9). 6, No aperto por controle do limite de escoamento, a força de pré-tensão obtida é praticamente influenciada apenas pelo coeficiente de atrito na rosca e pela dispersão do limite de escoamento do material. 6
Tabela 3 – Características geométricas do parafuso a ser estudado
Tabela 4 – Propriedades mecânicas do parafuso a ser estudado
Tanto o coeficiente de atrito da rosca como a resiliência total da junta de 4,773x10 -6^ mm/N foram obtidos através de ensaios experimentais, realizados pelo fabricante do parafuso na junta. Com os dados apresentados nas Tabelas 3 e 4, pode-se determinar as condições de contorno do parafuso no que diz respeito aos apertos, encontrando as capacidades de força tensora em função do limite de resistência à tração, do limite de resistência ao escoamento e dos rendimentos já calculados, conforme as Equações 7 e 8, apresentadas na página 12 (Equação 13 e 14).
F ( á ) = n( á .). R ( í .). A = 121,58 kN (Eq. 13)
E:
F ( ) = n ( í .). R , ( í .). A = 94,43 kN (Eq. 14)
Para esta aplicação, foi adotado pelo setor de manufatura o uso de 75% do limite de escoamento do parafuso apenas. Consequentemente, a força resultante estará acima do valor requisitado no projeto da junta, que é igual a 50 kN, pois se deseja obter robustez no produto final, então, ainda conforme a Equação 7 da página 12, temos (Equação 15):
F ( ) = 0,75. n( í .). R , ( í .). A = 70,82 kN (Eq. 15)
Norma da rosca
Ø Nominal da rosca (mm)
Ø Interno da rosca (mm)
Ø Primitivo da rosca (mm)
Área resistiva da rosca (mm²)
Passo (mm) ANSI B1.1 Ø 9/16” 18 UNF 2-A 14,29^ 12,57^ 13,37^ 130,97^ 1,
Material do parafuso
Limite mínimo de resistência à tração (MPa)
Limite mínimo de escoamento , (MPa)
Coeficiente de atrito da rosca (adimensional)
Rendimento (adimensional) (Calculado conf. Eq. 7) Mín. Máx. Mín. Máx. SAE J Grade 8 1034 896 0,09^ 0,15^ 0,80^ 0,
Na linha de montagem do produto, é utilizada uma estratégia de aperto por controle de torque (torque “seco”), no qual possui uma janela de torque para aprovação de 184 a 224 Nm. Esta janela está configurada na unidade controladora da apertadeira eletropneumática que realiza o processo de aparafusamento da junta (Figura 11).
Figura 11 – Unidade controladora da apertadeira
Foi retirada desta unidade controladora uma amostragem de 677 apertos resultantes ao longo da produção seriada do eixo. Estes dados descrevem para cada aperto o torque alvo no fim do processo (Nm); o ângulo de aperto do parafuso Δα (°) monitorado a partir de 95 Nm; e o gradiente γ, que é o torque aplicado para cada grau de aperto (Nm/°), sendo esta variação intrínseca ao regime elástico da junta. Para cada aperto foi calculada a força tensora do parafuso resultante, considerando o somatório do ângulo do pré-monitoramento (Δα’) com o ângulo monitorado (Δα), segundo a Equação 2, mostrada na página 11. Pode-se determinar este ângulo através da razão do torque do início do monitoramento com o gradiente de torque γ (Equação 16).
α ^ = MA(95 Nm)γ (Eq.16)
