MANUFACTURING AND ASSEMBLY DESIGN OF RIVETED JOINTS

This week the team developed step by step, the methods thatwill be used by the group to be able to manufacture the rivetsand riveted together, detailing and justifying the proceduresadopted and the decisions taken skins for components. In thisscenario the team has the objectives of: 

• Identify the variables of the casting process. 
• Determine the casting method to be used 
• Determine the model and mold dimensions 
• Describe the process of fitting together. 

First was determining the method of manufacture of rivets,for it was taking into account quantity of parts to beproduced; Foundry project; required tolerances; degree ofcomplexity; metal specification; desired surface finish,among other factors. The team chose the metallic moldcasting method of rectangular geometry of the twoparttype, taking into account the ease of operation, thepresentation of greater uniformity, better surface finish,closer tolerances and best mechanical properties of rivet. 

Furthermore, the procedure of manufacture of rivets needsto take into consideration the size of the rivets, plus thevariations inherent in the casting process. Because of this itwas necessary to consider the contractions present in thealloy solidification period. Second VERRAN, 1986, thecontractions during the cooling process of the material canbe of three different types depending on each Leagueconsidered: NET contraction (ΔVl), (ΔVsol) solidificationcontraction and contraction solid (ΔVs). Liquid and settingcontractions usually can be corrected with riser andcontraction solid can be controlled by a more appropriatedesign of the play or finish treatment in case of tensionsresiduiais. 

Solid contraction is necessary to calculate volume of solidrivets and compensate in their dimensions. For it was used5.7% contraction factor of aluminum (VERRAN, 1986).Already the sizing system risers, can be done via the Methodmost widely used method of the modules, based onexpression of Chvorinov, where would be the break-up ofthe setting time with solidified thickness. 

Based on calculations developed by team was foundappropriate dimensions of metal mold design to compensatefor the contraction of solid metal. 

For the body of the rivet: 

For the rivet head: 

Then were determined the dimensions needed to compensatefor risering liquid contraction and solidification. the valuesfound were: 

Riser height: 31.8199 mm 
Risering diameter: 7.0358 mm 

3D CAD MODELS AND MECHANICAL DRAWING 

With all the defined dimensions, it was possible to develop themetal mold design in CAD, as you can see in the picturesbelow: 

Figure1: Isometric view permanent rivets mold. 

Source: own team. 

Figure 2: Technical Details of mould base of rivets 

Source: own team.

Figure 3: technical details of mould block of rivets

Source: own team.

Figure 4: permanent rivets mold. 

Source: own team.

PROJETO DE FABRICAÇÃO E MONTAGEM DAS JUNTAS REBITADAS

Essa semana a equipe desenvolveu passo a passo, os métodos que serão utilizados pelo grupo para conseguir fabricar os rebites e a junta rebitada, detalhando e justificando os processos adotados e as decisões tomadas peles componentes para a fabricação. Diante desse cenário a equipe tem os objetivos de:

• Identificar as variáveis do processo de fundição.
• Determinar o método de fundição a ser utilizado
• Determinar o modelo e as dimensões do molde
• Descrever o processo de montagem das juntas.

Primeiramente foi determinando o método de fabricação dos rebites, para isso foi levando em consideração quantidade de peças a produzir; projeto da fundição; tolerâncias requeridas; grau de complexidade; especificação do metal; acabamento superficial desejado, entre outros fatores. Dessa forma a equipe escolheu o método de fundição em molde metálico de geometria retangular do tipo bipartido, levando em consideração a facilidade de operação, a apresentação de maior uniformidade, melhor acabamento superficial, tolerâncias mais estreitas e melhores propriedades mecânicas do rebite. 

Ademais, o procedimento de fabricação dos rebites precisa levar em consideração as dimensões dos rebites, acrescida das variações inerentes ao processo de fundição. Por conta disso foi preciso considerar as contrações da liga presentes no período de solidificação. Segundo VERRAN, 1986, as contrações durante o processo de resfriamento do material podem ser de três tipos distintos dependendo de cada liga considerada: contração líquida (ΔV_l), contração de solidificação (ΔV_sol) e contração sólida (ΔV_s). As contraçoes liquidas e de solidificação normalmente podem ser corrigidas com massalote e a contração solida pode ser controlada por um projeto mais adequado da peça ou tratamento termino no caso de tensões residuiais. A contração volumétrica total (ΔV) pode ser 

Na contração solida é necessário calcular variação de volume dos rebites no estado sólido e compensá-la nas dimensões deles. Para isso foi utilizado 5,7% do fator de contração do alumínio (VERRAN, 1986). Já o dimensionamento do sistema de massalotes, pode ser feito através do Método dos Módulos, método mais utilizado baseado na expressão de Chvorinov, onde seria o desmembramento do tempo de solidificação com a espessura solidificada.

Com base nos cálculos desenvolvido pela equipe foi encontrado as dimensões adequadas do projeto do molde metálico para compensar as contração do metal solido.

Para o corpo do rebite:

Para a cabela do rebite:

Em seguida foram determinadas as dimensões necessárias do massalote para compensar a contração liquida e de solidificação. os valores encontrados foram :

Altura do massalote: 31,8199 mm

Diâmetro do massalote: 7,0358 mm ( o diâmetro foi aproximado para 8, para evitar que a altura ficasse muito grande e para a facilidade de fabricação)

MODELOS EM CAD 3D E DESENHO MECÂNICO

Com todas as dimensões definidas, foi possível desenvolver o projeto do molde metálico no CAD, como pode-se observar nas figuras a baixo:

Figura1: Vista isométrica do molde de rebites permanente.

Fonte: Própria equipe

Figura 2: Detalhamento técnico da base do molde de rebites

Fonte: Própria equipe

Figura 3: detalhamento técnico do bloco do molde de rebites.

Fonte: Própria equipe.

Figura 4: Recorte do molde de rebites permanente.

Fonte: Própria equipe.

GLOSSÁRIO 6 / GLOSSARY 6

Desenho Mecânico / Mechanical Drawing. Desenho mecânico é a representação gráfica voltada ao projeto de peças mecânicas. O desenhista mecânico realiza desenhos, projeções e cortes utilizando principalmente meios eletrônicos, preparam folhas de trabalho e diagramas detalhados de peças e de projetos mecânico contendo as informações necessárias para a sua produção, seguindo as normas técnicas ABNT, ISO OU DIN, em condições de qualidade, segurança e preservação ambiental. Exemplo: "Criado para poupar tempo, o AutoCAD Mechanical tem uma ferramenta específica para quase todo aspecto do processo de desenho mecânico."/ Mechanical drawing refers to the methods of creating the drawings that outline machine processes and assembly methods. Typically working under engineers, mechanical designers can begin their careers after the completion of an associate degree program. drafting refers to the methods of creating the drawings that outline machine processes and assembly methods. Typically working under engineers. Exemple: "Built to save you time, AutoCAD has a specifc tool for almost every aspect of the mechanical drafting process."

Figura 1 : Exemplo de Desenho Mecânico (Detalhamento técnico da junta rebitada).

Figure 1:  Exemple of Mechanical Drawing (Technical detail of the riveted joint).

Fonte: Própria equipe

Source: Own Team.

RIVETS CASTING METHOD DEFINITION

We, JLMP team members, after designing the riveted joints, decided to go deeper into the fabrication of our rivets. Firstly, we try to know if the casting method used to make the specimens is also ideal for the manufacture of rivets.

Sand molding, even though it is the cheapest of all casting methods, requires a model construction with the same or similar shape of the part to be cast, as well as accumulating some defects such as the inclusion of mold sand in the walls internal or external of the part, forming porosities.

The rivets to be designed will be of relatively small dimensions, in this way, the chosen method must be of good dimensional stability, besides reducing the defects found in the worked specimen.

Analyzing the projects of past teams, studies related to the Discipline of Foundry Process and some researches, our team decided to opt for casting method with metallic mold.

The advantages of the metal mold over the green sand mold are better surface finish, higher uniformity, narrower dimensional tolerances with finer sections, better mechanical properties, high durability of the molds (mold cavity) and high production capacity.

The use of the metal molds is restricted to metals with a lower melting temperature than iron and steel. These metals are represented by alloys with lead, zinc, aluminum, magnesium, certain brass and, exceptionally, cast iron.

Here is an example of a metal mold, our team is still looking for the materials needed to make the mold, so we can start producing our rivets.

Figure 1: Example of a metal mold.

Source: Exata peças.

DEFINIÇÃO DO MÉTODO DE FUNDIÇÃO DOS REBITES

Diante essa semana, nós, membros da equipe JLMP, após feito o projeto das juntas rebitadas, decidimos nos aprofundar na fabricação dos nossos rebites. Primeiramente, procuramos saber se o método de fundição utilizado para confeccionar os corpos de prova é também ideal para a confecção dos rebites.

O molde de areia, mesmo sendo o mais barato dentre todos os métodos de fundição, esse molde precisa de uma construção de um modelo com formato igual ou parecido da peça a ser fundida, além de acumular alguns defeitos como inclusão de areia do molde nas paredes internas ou externas da peça, formando porosidades.

Os rebites a serem projetados serão de dimensões relativamente pequenas, dessa forma, o método escolhido deve ser de boa estabilidade dimensional, além de reduzir os defeitos encontrados no corpo de prova trabalhado.

Com isso, analisando os projetos de equipes passadas, estudos relacionados a disciplina Processo de Fundição e algumas pesquisas, nossa equipe decidiu optar pelo método de fundição com molde metálico.

As vantagens do molde metálico em relação ao molde de areia verde são melhor acabamento superficial, apresentam maior uniformidade, tolerâncias dimensionais mais estreitas com secções mais finas, melhores propriedades mecânicas, alta durabilidade das matrizes (cavidade do molde) e alta capacidade de produção.

A utilização dos moldes metálicos está restrita aos metais com temperatura de fusão mais baixa do que o ferro e o aço. Esses metais são representados pelas ligas com chumbo, zinco, alumínio, magnésio, certos bronzes e, excepcionalmente, o ferro fundido.

Vejamos aqui um exemplo de molde metálico, nossa equipe ainda está à procura dos materiais necessários para sua confecção do molde, para assim começarmos a produção de nossos rebites.

Figura 1: Exemplo de molde metálico.

Fonte: Exata Peças.

GLOSSÁRIO 5 / GLOSSARY 5

Junta Rebitada / Riveted Joint. Junta rebitada é a união de placas desempenhada por rebites, são muito utilizadas em estruturas aeronáuticas. Sua principal finalidade é de resistir e transferir esforços de maneira que não sobrecarreguem a estrutura. Os rebites são na maioria das vezes utilizados quando se deseja transferir carga por cisalhamento. Exemplo: “As junções rebitadas são usadas para as peças feitas dos materiais que não podem ser soldadas ou aquecidas” / Riveted joint is the union of plates played by rivets, are widely used in aeronautical structures. Its main purpose is to resist and transfer efforts so that it does not overload the structure. Rivets are most often used when you want to transfer load by shear. Exemple: “Riveted joints are used for parts made of materials that cannot be welded or heated”.

Figura 1: Exemplo de Junta Rebitada 

Image 1: Exempe of Riveted Joint

Fonte: Researchgate

Source: Researchgate

SPECIMEN TENSILE TEST

According to the CALLISTER, 2013, the test of traction can be used to assess various mechanical properties of materials that are important in a project. A specimen is deformed, usually until your fracture, by gradually increasing traction load is applied along the axis uniaxialmente longer a body of evidence. Typically, the straight section is circular though rectangular specimens are also used. During rehearsals the deformation is confined to the central region, narrower, body of proof, which has a uniform straight section over your length. The default diameter is approximately 12.8 mm (0.5 in.). The usable length is used in calculations of ductility and your default value is 50 mm (2.0 in.). The body of evidence is arrested by its extremities clamping chucks of the test device. Traction testing machine is designed to lengthen the body of proof at a constant rate, in addition to measuring and simultaneously instant load (using a strain gauge). Typically, a stress-strain test takes several minutes to run and it's destructive, i.e. the sample tested is permanently deformed, being usually fractured. The result of a tensile test of this kind is recorded on a chart recorder (or a computer), in the form of load or force into stretching function. These load-deformation characteristics are dependent on the size of the sample. For example, if the area of the straight section of the body of evidence is bent, it will be necessary to double the initial charge to produce the same stretch. To minimize these geometrical factors, load and elongation are normalized Thistle with their respective voltage parameters of engineering and engineering deformation. Engineering stress σ is defined by the relation,

where F is the instantaneous load applied in a directionperpendicular to the straight section of the sample, and A0 represents the area of the original straight section beforeapplying any load. 

The engineering strain ε is set according to the expression,

where l0 is the original length before any load being applied, and li's instant length. Δl represents the stretching deformation. See the purpose of a traction test, the team, after making the body of evidence, did the same scheduling in the mechanical testing laboratory of the Centro Universitário SENAI CIMATEC. The lab was led the body of proof until the traction testing machine, which was stuck at its ends by the claws of the machine.

Figure 1: Body of evidence in the trial. 

Source: Own team. 

Then came early to the test, where the body of evidence wassubmitted to a traction voltage and leaked to deformpermanently until your break.

Video 1: tensile Test.

Source: Own team.

At the end of the test, the results obtained through thecomputer that operates the mechanical testing machine.

Figure 2: test result of traction. 

Source: Centro Universitário SENAI CIMATEC.

With the obtained results it can be concluded that the chosenmaterial is capable of withstanding a load of 160.33 N, along a section of 132.32 mm². Besides the peakvoltage obtained was of 121.16 MPa and presented a runoff of77.16 voltage MPa, finally presented an elongation of 19.83%. 

References

CALLISTER, W. D., Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. John Wiley & Sons, Inc., 2013. 

ENSAIO DE TRAÇÃO DO CORPO DE PROVA

De acordo com o CALLISTER,2013, o ensaio de tração pode ser usado para avaliar diversas propriedades mecânicas dos materiais que são importantes em um projeto. Uma amostra é deformada, geralmente até a sua fratura, mediante uma carga de tração gradativamente crescente que é aplicada uniaxialmente ao longo do eixo mais comprido de um corpo de prova. Normalmente, a seção reta é circular, porém corpos de prova retangulares também são usados. Durante os ensaios a deformação fica confinada à região central, mais estreita, do corpo de prova, que possui uma seção reta uniforme ao longo do seu comprimento. O diâmetro padrão é de aproximadamente 12,8 mm (0.5 pol.). O comprimento útil é usado em cálculos da ductilidade e seu valor padrão é de 50 mm (2.0 pol.). O corpo de prova é preso pelas suas extremidades nas garras de fixação do dispositivo de testes. A máquina de ensaios de tração é projetada alongar o corpo de prova a uma taxa constante, além de medir contínua e simultaneamente a carga instantânea ( usando um extensômetro). Tipicamente, um ensaio de tensão- deformação leva vários minutos para ser executado e é destrutivo, ou seja, a amostra testada é deformada de maneira permanente, sendo geralmente fraturada.

O resultado de um ensaio de tração deste tipo é registrado em um registrador gráfico (ou por um computador), na forma de carga ou força em função do alongamento. Essas características carga-deformação são dependentes do tamanho da amostra. Por exemplo, se a área da seção reta do corpo de prova for dobrada, será necessário o dobro da carga inicial para produzir o mesmo alongamento. Para minimizar esses fatores geométricos, a carga e o alongamento são normalizados de cardo com os seus respectivos parâmetros de tensão de engenharia e deformação de engenharia. A tensão de engenharia σ é definida pela relação, 

onde F é a carga instantânea aplicada em uma direção perpendicular à seção reta da amostra, e A0 representa a área da seção reta original antes da aplicação de qualquer carga.

A deformação de engenharia ε é definida de acordo com a expressão,

onde l0 é o comprimento original antes de qualquer carga ser aplicada, e li é comprimento instantâneo. Δl representa o alongamento da deformação.

Vide o objetivo de um ensaio de tração, a equipe, após confeccionar o corpo de prova, fez o agendamento do mesmo no laboratório de ensaios mecânicos do Centro Universitário SENAI CIMATEC. No laboratório foi-se levado o corpo de prova até a máquina de ensaio de tração, o qual foi preso em suas extremidades pelas garras da máquina. 

Figura 1: Corpo de prova no ensaio de tração.

Fonte: Própria equipe.

Em seguida deu-se inicio ao ensaio, onde o corpo de prova foi submetido a uma tensão de tração e  escoou até se deformar permanentemente até sua ruptura.

Vídeo 1: Ensaio de tração.

Fonte: Própria equipe.

 Ao fim do ensaio, obtivemos os resultados através do computador que opera a máquina de ensaio mecânico. 

Figura 2: Resultado  do ensaio de tração.

Fonte: Centro Universitário SENAI CIMATEC.

Com os resultados obtidos pode-se concluir que o material escolhido é capaz de suportar uma carga

de 160,33 N, ao longo de uma seção de 132,32 mm² . Ademais a tensão máxima obtida foi de 121,16 MPa e apresentou uma tensão de escoamento de 77,16 MPa, por fim apresentou uma elongação de 19,83%.

Referências

CALLISTER, W. D., Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. John Wiley & Sons, Inc., 2013.