GLOSSÁRIO 4 / GLOSSARY 4

Massalote / Riser. pl Risers. Massalote é um reservatório construído em um molde de metal fundido para evitar cavidades devido a contração do material. A maioria dos metais é menos denso como um líquido do que quando se apresenta no estado sólido, de modo que as peças fundidas contraem após o resfriamento. Dessa forma, quando o metal solidifica pode formar rechupe nas extremidades. O massalote evita isso, fornecendo metal fundido ao reservatório, de modo que a cavidade se forma no massalote e não na peça. Exemplo: "Se parecer que não há material suficiente, o tamanho do massalote deve ser aumentado". / Riser is a reservoir built into a metal casting mold to prevent cavities due to shrinkage. Most metals are less dense as a liquid than as a solid so castings shrink upon cooling, which can leave a void at the last point to solidify. Risers prevent this by providing molten metal to the casting as it solidifies, so that the cavity forms in the riser and not the casting. Exemple:"If it appears there is not enough material then the size of the riser must be increased".

Figura: Molde para Fundição.

Image: Casting Mold.

Fonte: Ebah.

Source: Ebah.

PROJECT OF RIVETED JOINT

During this week the team completed the first delivery of the Integrator Project. The members of the group were asked to develop a report on the project of riveted joints with the following objectives:

Sizing aluminum rivets;

Sizing the thickness of the carbon steel plate;

Determine the Position of rivets on the plate;

Model the riveted joint in CAD 3D

Present the calculation memorial and mechanical drafting of the riveted joint.

First the team determined the type of rivet to be used in the riveted gasket. Based on the design specifications and the needs of the same, it was opted for the choice of rivet with the round head for its extensive use and the permissibility of superficial protrusions on the junta. The sizing of the same according to the ABNT EB-48/R It is seen in the following figure:

Figure 1: Rivet Sizing

Source: Desenhista de máquinas, 1997, p. 6-37 

Then it was classified the request type, based on the characteristic of the loads applied and in the presence or not of movements in the system. Among the classes, type 1 is the one that applies in the design of riveted joints, which consists of a system that is still with constant requests. So according to Norton a static loading analysis is sufficient. For this, if you need to properly draw the free Body diagram (DCL) to correctly identify the forces that act in the system, as shown in Figure 2 below:

Figure 2: Free body diagram of riveted joint

Source: Own Team.

Analyzing the forces acting on the DCL and the second Norton (2013), the following critical sections are defined for analysis of riveted joints:

1. Plate pull failure between rivets

2. Rivet cross section Shear

3. Compressive support failure between rivet and plate

4. Edge Shear in Rivet hole

5. Edge ripping in rivet hole

Then determine how sections to create the project use as failure theories to determine which stresses will cause the material to rupture, and then do the sizing of the joints. Failure theories are fundamental for the determination of criteria for predicting the failure of a given material against a two-dimensional or three-dimensional stress state. Where the most significant factors are a brittleness or ductility of the material and whether it is a metal uniform or non-uniform.

It was necessary to characterize the molten aluminum, and based on the results of mechanical tests performed on the "PI (II) 2017.2" integrators project teams, the cast aluminum did not present Encyclopedie before the fracture. Moreover, according to Norton (2013), in the situation in which they are failures are pressed, subjected to compression, these are compacted, increasing the slip resistance due to the shear stress.

In this way, the melted materials are considered as fragile as non-uniform, due to their tensile strength being different and lower than their compressive strength. This situation can be better understood by figure 3 below, where it shows Mohr's circle for two tests performed on non-uniform metals.

Figure 3 : Mohr circle for non-uniform materials.

Source: Norton, 2013, p.259.

Based on these analyzes, it was decided to use the fault theories for fragile materials under static loading, which are divided into: Modified Mohr Theory I and II and Maximum Normal Voltage Theory.

CALCULATIONS

As non-uniform materials have a compressive strength limit greater than the tensile strength limit, the assumption was made that the compression and tensile limits are the same. However, in spite of this assumption to generate an "oversize" in the project, it will be compensated with the determination of the safety coefficient equal to 1.

In order to determine the average tension that the molten aluminum can withstand, the results of the mechanical tests of the previous quarters were used. as can be seen in the calculations below:

After these analyzes with the values of the tensions that cause the failure in the material found, the Mohr circle was used for the case in which pure shearing occurs, since this is the main request acting on the rivets. In addition to the theory of maximum normal stress, the modified Mohr's theory was used to compare the principal stress values found by the two theories.

As the safety coefficient used is equal to 1, we have:

The results obtained by the two fault theories are the same, so use these voltages to find the maximum shear stress. Thus, the Mohr circle is used for the case where: voltage 1 is equal to the negative of voltage 3, voltage 2 is equal to zero and the maximum shear stress is given by the following equation:

Before choosing the configuration, it was verified if these diameters resist the compression that the plate causes when pulled. However, in order to do this verification it is necessary to dimension the thickness of the plate for organization of the plate considered in the calculation of the diameters. Knowing that the need to calculate the bore diameter, it should be slightly larger than the diameter of the rivet because of the dilation of its useful diameter in the process of embossing the rivet. In the same way as the diameters of the rivets the plate thickness was calculated for each arrangement thereof.

Calculating the plate diameters and thicknesses for each configuration, it is necessary to verify that these will not fail due to compression when the join is drawn and tearing at the edge of the hole respectively. Although an assumption was made for the rim compression breaking stress, this analysis will provide an estimate of the possible rivet failure due to compression

After all the analyzes it was determined that the best option for the design of the riveted joints would be 4 rivets aligned parallel to the width of the plate 2 to 2, respecting the distances between the holes parallel as we can observe in the following calculations:

Thus the thickness of the plate was determined for 4 rivets aligned parallel to the width of the plate 2 to 2, respecting the distances between the holes was determined from the calculations below: 

Then the calculation of the compression stress for 4 rivets aligned parallel to the width of the plate 2 to 2, respecting the distances between the holes, as can be observed in the following calculations:

In this way, it is guaranteed that the four 6.36mm diameter rivets and the 6,473mm thick plates will support the requests until the 30kN load at which the rupture should occur.

MECHANICAL DRAFTING

After determining all dimensions of the design, it was possible to complete the mechanical drawings of the riveted joint. The technical details and isometric views of the joint and its components will be presented below:

Figure 4: Isometric view of the riveted joint.

Source: Own Team.

Figure 5: Technical detail of the riveted joint.

Source: Own Team.

Figura 6: Technical detail of rivet before and after riveting.

Source: Own Team.

Figure 7: Technical detail of the outer sheet strip.

Source: Own Team.

Figure 7: Technical detail of the internal sheet strip. 

Source: Own Team.

PROJETO DAS JUNTAS REBITADAS

No decorrer dessa semana a equipe finalizou a primeira entrega do Projeto Integrador. Foi solicitado que os componentes do grupo desenvolvessem um relatório do Projeto das juntas rebitadas com os seguintes objetivos:

• Dimensionar os rebites de alumínio;
• Dimensionar a espessura da chapa de aço carbono;
• Determinar a disposição dos rebites na chapa;
• Modelar a junta rebitada em CAD 3D
• Apresentar o memorial de cálculo e desenho mecânico da junta rebitada 

Primeiramente a equipe determinou o tipo de rebite a ser utilizado na Junta Rebitada. Com base nas especificações do projeto e nas necessidades do mesmo, optou-se pela escolha dos rebite com a cabeça redonda pela sua ampla utilização e pela permissibilidade de saliências superficiais na junta. O dimensionamento do mesmo de acordo com a ABNT EB-48/R é visto na figura a seguir:

Figura 1: Dimensionamento do rebite.

Fonte: Desenhista de máquinas, 1997, p. 6-37 

Em seguida foi classificado o tipo de solicitação, baseadas na característica das cargas aplicadas e na presença ou não de movimentos no sistema. Dentre as classes, o tipo 1 é a que se aplica no projeto das juntas rebitadas, que consiste em um sistema imóvel com solicitações constantes. Assim de acordo com Norton uma análise de carregamento estático é suficiente. Para isso, se faz necessário desenhar corretamente o diagrama de corpo livre (DCL) para identificar corretamente as forças que atuam no sistema, conforme mostrado figura 2 abaixo:

Figura 2: Diagrama de corpo livre da junta rebitada.

Fonte: Própria equipe.

Analisando as solicitações no DCL a cima e Segundo Norton (2013), define-se as seguintes seções críticas para análise das juntas rebitadas:

1.      Falha por tração da chapa entre rebites

2.      Cisalhamento da seção transversal do rebite

3.      Falha de apoio compressivo entre o rebite e a chapa

4.      Cisalhamento da borda no furo do rebite

5.      Rasgamento da borda no furo do rebite 

Após determinar as seções críticas do projeto utiliza-se as teorias de falha para determinar quais tensões que farão o material romper, para enfim fazer o dimensionamento das juntas. As teorias de falha são fundamentais para a determinação de critérios para a previsão da falha de um determinado material perante a um estado bidimensional ou tridimensional de tensões. Onde os fatores mais significativos é a fragilidade ou ductibilidade do material e se é um metal uniforme ou não uniforme. 

Com isso fez-se necessário caracterizar o alumínio fundido, e com base nos resultados de ensaios mecânicos realizados nos corpos de prova “das equipes do projeto integrador PI (II) 2017.2” o alumínio fundido não apresentou deformação plástica antes da fratura. Além disso, de acordo com Norton (2013), na situação em que as falhas são pressionadas, sujeitas a compressão, estes se compactam, aumentando a resistência ao deslizamento devido à tensão de cisalhamento.

Dessa maneira, os materiais fundidos são considerados além de frágeis como não uniformes, devido a sua resistência a tração ser diferente e menor que a sua resistência a compressão. Essa situação pode ser melhor entendida pela figura 3 abaixo, onde mostra o círculo de Mohr para dois ensaios realizados em metais não uniformes.

Figura 3: Círculo de Mohr para materiais não uniformes.

Fonte: Norton, 2013, p.259.

Partindo dessas análises, optou-se pela utilização das teorias de falha para materiais frágeis sob carregamento estático que se dividem em: Teoria de Mohr Modificada I e II e Teoria da tensão normal máxima.

MEMORIAL DE CÁLCULO 

Como os materiais não uniformes apresentam limite de resistência de compressão maior do que o limite de resistência a tração, adotou-se a suposição de que os limites de compressão e tração são iguais. Porem, apesar dessa suposição gerar um "superdimensionamento" no projeto, o mesmo sera compensado com a determinação do coeficiente de segurança igual a 1.

Para determinar a tenção média que o alumínio fundido pode suportar, foi utilizado os resultados dos ensaios mecânicos das equipes dos trimestres anteriores. como pode-se observar nos cálculos a baixo:

Após essas análises com os valores das tensões que causam a falha no material encontradas, utilizou-se o círculo de Mohr para o caso em que ocorre cisalhamento puro, visto que essa é a principal solicitação atuando nos rebites. Além da teoria da tensão normal máxima, utilizou-se a teoria de Mohr modificada para comparar os valores de tensões principais encontradas pelas duas teorias. 

Como o coeficiente de segurança utilizado é igual a 1, tem-se que:

Os resultados obtidos pelas duas teorias de falha são iguais, dessa maneira utilizará essas tensões para encontrar a tensão cisalhante máxima. Sendo assim, utiliza-se o círculo de Mohr para o caso em que:  tensão 1 é igual ao negativo da tenção 3, a tenção 2 é igual a zero, e a tenção de cisalhamneto maxima é dada pela equação a seguir:

CÁLCULO DOS REBITES 

Antes de iniciar os calculo dos rebites levamos em consideração as restrições do projeto. A largura da chapa não deve ultrapassar 50mm. Dessa maneira, foi calculado o diâmetro máximo para 1 rebite isolado, e para 2 rebites alinhados paralelamente a largura. Alem disso, com o valor da tensão máxima encontrado, foi calculado de 1 até 5 rebites em cada tira de chapa para determinar o melhor diâmetro a ser utilizado.

Antes de escolher a configuração, verificou-se se esses diâmetros resistem a compressão que a chapa causa quando tracionada. Contudo, para fazer essa verificação é necessário dimensionar a espessura da chapa para caso de organização da placa considerada no cálculo dos diâmetros. Sabendo que a necessidade do cálculo do diâmetro do furo, este deve ser ligeiramente maior do que o diâmetro do rebite por conta da dilatação do seu diâmetro útil no processo de estampagem do rebite. Da mesma forma que os diâmetros dos rebites foi calculada a espessura da chapa para cada disposiçao dos mesmos. 

Calculados os diâmetros e espessuras da chapa para cada configuração, é necessário verificar se estes não falharão devido a compressão quando a juntar for tracionada e rasgamento na borda do furo respectivamente. Apesar de ter usado uma suposição para a tensão limite de ruptura de compressão do rebite, essa análise trará uma estimativa da possível falha do rebite devido a compressão

Após todas as analises foi determinado que a melhor opção para o projeto das juntas rebitadas seria de 4 rebites alinhados paralelamente a largura da chapa 2 a 2, respeitando as distâncias entre os furos paralela mente como podemos observar nos cálculos a seguir:

Assim foi determinada a espessura da chapa para 4 rebites alinhados paralelamente à largura da chapa 2 a 2, respeitando as distâncias entre os furos foi determinara a partir dos cálculos a baixo:

 

Então foi feito o cálculo da tenção de compressão para 4 rebites alinhados paralelamente à largura da chapa 2 a 2, respeitando as distâncias entre os furos, como pode observar nos cálculos a seguir:

Dessa maneira, está garantido que os quatro rebites de diâmetro 6.36mm e as placas de espessura 6.473mm suportarão as solicitações até chegar a carga de 30kN em que deve ocorrer a ruptura. 

DESENHOS MECÂNICOS

Apos determinar todas as dimensões do projeto, foi possível concluir os desenhos mecânicos da junta rebitada. Os detalhamentos técnicos e vistas isométricas da junta e seus componentes serão apresentados a seguir:

Figura 4: Vista isométrica da Junta Rebitada

Fonte: Própria Equipe.

Figura 5: Detalhamento técnico da Junta Rebitada

Fonte: Própria Equipe.

Figura 6: Detalhamento técnico dos rebites antes e após a rebitagem. 

Fonte: Própria Equipe.

 Figura 7: Detalhamento técnico da tira de chapa externa.

Fonte: Própria Equipe.

 Figura 8: Detalhamento técnico da tira de chapa interna.

 Fonte: Própria Equipe.

GLOSSÁRIO 3/ GLOSSARY 3

Fundição / Casting, pl Castings, sin.foundry. Fundição é o processo de fabricação que consiste em vazar (despejar) metal líquido num molde contendo uma cavidade com a geometria desejada para a peça final. O metal endurece no interior do molde, assumindo a forma desejada. Deve-se cuidar com alguns fenômenos que podem ocorrer durante a solidificação do metal líquido no interior dos moldes, tais como a cristalização, a contração do volume, a concentração de impurezas e o desprendimento de gases. O processo de fundição pode ser classificado de acordo com o tipo e o modelo de molde e/ou pela força (ou pressão) exercida para preencher o molde com o metal líquido. Exemplo: "A simulação do processo de fundição usa métodos numéricos para calcular a qualidade do componente de elenco considerando o enchimento do molde". / Casting is a manufacturing process in which a liquid material is usually poured into a mold, which contains a hollow cavity of the desired shape, and then allowed to solidify. The solidified part is also known as a casting, which is ejected or broken out of the mold to complete the process. Casting materials are usually metals or various cold setting materials that cure after mixing two or more components together; examples are epoxy, concrete, plaster and clay. Casting is most often used for making complex shapes that would be otherwise difficult or uneconomical to make by other methods. Exemple: "Casting process simulation uses numerical methods to calculate cast component quality considering mold filling".

Figura 1: Fundição do Alumíno.

Image 1:  Aluminum Casting.

Fonte: Própria Equipe.

Source: Own Team.

OBTAINING THE BODY OF TESTING THROUGH FOUNDRY

In the course of this week, the JLMP Engineering committed itself to obtaining a body of evidence for mechanical testing of traction and also sought bibliographical references by initiating the project of the riveted joint.
For obtaining the body of evidence, it was developed in SolidWorks software a 3d CAD model of the part, those with the dimensions according to the standard ASTM E8/E8M-Standard Test methods for Tension testing of Metallic materials.
Next was defined the method of casting that was used by the team, casting in green sand, as this one tends to present good dimensional stability, less possibility of emergence of cracks beyond the low cost of manufacturing. For the smelting was used a body of proof made available by AMGS engineering as mold.
Initially it was made to blend the sand, clay and water for the manufacture of the green sand, the proportions of the elements were based on the bibliographical mechanical technology, written in 1986 by Vicente Chiaverini Filho. Then this sand was inserted into the smelting box and compacted together with the mold along with the risering and the aluminum leakage channel, as shown in Figure 2.

Figure 1: Green Sand Mixture.

Source: Own Team.

Figure 2: Casting box molded with sand. 

Source: Own Team.

After these steps, the aluminum was cast in the liquid state in the box, and can be observed in video 1.

Video 1: Leaking aluminum in sand mold.

 Source: Own Team.

The obtained piece, figure 3, was taken to the cutting and the deburring in order to have the final body that will be used in the mechanical tensile test to determine the behavior and characteristics of the material.

Figure 3: Part obtained in the foundry.

Source: Own Team.

It is worth mentioning that although it did not take into account the contraction calculations of the material, it was not forgotten, since it is expected to obtain from the tensile test data such as tension, bonding, among others. Which depend only on the cross-sectional area and the force applied under the body, as can be seen in the following formula:

In σ what represents the tension, F the applied force and Ao the initial cross-sectional area of ​​the body.

References:

AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM E8 / E8M – 16a: Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials. West Conshohocken, PA, 2016
CHIAVERINI, V. Tecnologia Mecânica. Processos de Fabricação e Tratamentos. Volume II. Editora Makron Books. 1986. 
NORTON, Robert D., Projetos De Máquinas, 4. ed. Bookman editora LTDA. Porto Alegre, 2011.

OBTENÇÃO DO CORPO DE PROVA POR MEIO DA FUNDIÇÃO

No decorrer desta semana, a JLMP Engenharia empenhou-se na obtenção de um corpo de prova para ensaios mecânicos de tração e também buscou referenciais bibliográficos dando início ao projeto da junta rebitada.
Para a obtenção do corpo de prova, foi desenvolvido no software SolidWorks um modelo CAD 3D da peça, essas com a dimensões de acordo com o órgão de normalização ASTM E8 / E8M - Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials.
Em seguida foi definido o método de fundição que foi utilizado pela equipe, fundição em areia verde, pois este costuma apresentar boa estabilidade dimensional, menor possibilidade de surgimento de trincas além do baixo custo de fabricação. Para a fundição foi utilizado um corpo de prova disponibilizado pela AMGS Engenharia como molde.
Inicialmente foi feita a mistura da areia, argila e água para a confecção da Areia Verde, as proporções dos elementos foram baseadas no referencial bibliográfico Tecnologia Mecânica, escrito em 1986 por Vicente Chiaverini. Em seguida esta areia foi inserida na caixa de fundição e compactada juntamente ao molde juntamente com o massalote e o canal de vazamento do alumínio, conforme a figura 2.

Figura 1: Mistura da Areia Verde.

Fonte: Própria Equipe.

Figura 2: Caixa de fundição moldada com areia.

Fonte: Própria Equipe.

Após estes passos, foi feito o vazamento do alumínio no estado líquido na caixa, podendo ser observado no vídeo 1.

Vídeo 1: Vazamento do alumínio no molde de areia.

Fonte: Própria Equipe.

A peça obtida, figura 3, foi levada ao corte e a rebarbação a fim de se ter o corpo final que será utilizado no ensaio mecânico de tração afim de determinar o comportamento e as características do material.

Figura 3: Peça obtida na fundição.

Fonte: Própria Equipe.

Vale ressaltar que apesar de não ter levado em conta os cálculos de contração do material o mesmo não foi esquecido, pois se espera obter a partir do ensaio de tração dados como a tensão, enlongamento entre outros. Os quais dependem apenas da área de seção transversal e a força aplicada sob o corpo, como pode ser visto na seguinte fórmula:

Em  que σ representa a tensão, F a força aplicada e Ao a área de seção transversal inicial do corpo.

Referências:

AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM E8 / E8M – 16a: Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials. West Conshohocken, PA, 2016.
CHIAVERINI, V. Tecnologia Mecânica. Processos de Fabricação e Tratamentos. Volume II. Editora Makron Books. 1986.

NORTON, Robert D., Projetos De Máquinas, 4. ed. Bookman editora LTDA. Porto Alegre, 2011.

GLOSSÁRIO 2 / GLOSSARY 2

Corpo de prova / Specimen pl. Specimens. Corpo de prova é uma amostra de dimensões e geometria padronizadas submetida a ensaios para a definição de propriedades do material. Exemplo: “Taxa de variação da deformação como função da tensão em um corpo de prova submetido a uma carga de cisalhamento ou torção.”. / Specimen is an individual animal, plant, piece of a mineral, etc., used as an example of its species or type for scientific study or display. Example: “Rate of change of strain as a function of stress in a specimen subjected to shear or torsion loading.”

Figura 1: Exemplo de corpos de prova.
Image 1: Exemple of especimens.

Fonte: JC Instrumentação.

Source: JC instrumentação. 

WHAT IS A RIVET ?

The rivet is an attachment element employed in permanent unions, consisting of a cylindrical body and a head, manufactured in aluminium, brass or copper. It is used to make permanent fixations of two or more parts with large scale of employment in the manufactures of aircraft, ships, plates and the manufacture of aluminum utensils.

As for classification, the rivet is categorized by the type of head, being the types: wide and narrow round head, dull and narrow head, and tapered cylindrical head. Round-head rivets have high strength and due to these are used in the metallurgical industry. Flat-minded boring heads are opted in situations where unions that do not allow any kind of bulge on the surface, the narrow-minded heads are more chosen for surfaces where there can be protrusions. The cylindrical head can be used for fixing plates up to seven millimeters thick. Rivets can still be determined as to their specifications, being: the type of material, head type, body diameter in millimeters and useful rivet length.

The riveting process can be accomplished by three distinct forms, depending on the width and effort of the plates, to which they are subjected to be described. These are the processes: riveting by recovering, riveting by simple recovering and double recovering.

Riveting by recovering is widely used in the construction of beams and metallic structures that need to withstand a lot of weight.

Figure 1: Riveting by recovering.

Source: CTISM.

In the riveting of simple overlap, the two plates are joined by a third that is placed on it. Rivets are placed in a zigzag pattern. This type of riveting is widely used in the construction of steam boilers, compressed air tanks and other products that need to ensure the complete sealing of the junction. Double overlay riveting is made to create the perfect seal of the Union of two plates. It is made by joining two plates and placing a plate on each side of the junction. This technique is widely used in the production of chimneys and lamps.

Figure 2: Riveting by double recovering.

Source: CTISM.

At last we will address the fixing of rivets, the same can be divided into two classes: manual process and mechanical process. In the manual process, the fixing is hand-made with the aid of a hammer, cap, against cap or a puller. The mechanical fixation is carried out by means of a pneumatic hammer or pneumatic and hydraulic riveting machines. The hammer is connected to an air compressor, through pipes, flexible, and operates at pressures ranging from 5 Pa to 7 Pa.

References:

COLLINS, J. Projeto mecânico de elementos de máquinas: Uma perspectiva de prevenções de falhas. São Paulo: Editora LTC, 2006.

FRANCESCHI, Alessandro, ANTONELLO, Miguel Guilherme. Elementos de máquinas. Santa Maria. CTIM, Rede E-Tec, 2014.

<http://www.leroymerlin.com.br/rebites-e-acessorios-de-fixacao> Acessado em 13/10/2017.