Fabricação da junta, molde e rebites

Nos últimos dias, foram iniciados os processos de fabricação, tanto das juntas, quanto do molde para fundição e dos rebites.

Confecção das juntas

Para a fabricação das juntas, foram utilizadas chapas de aço A 36 com 5 mm de espessura, de acordo com o calculado no relatório de projeto das juntas rebitadas. Esse valor foi calculado de acordo com a carga máxima na junta (30 kN) e o diâmetro de cada rebite, e o material foi escolhido de acordo com a disponibilidade da equipe.

O posicionamento dos furos na junta foi definido de acordo com as restrições do projeto, que indicavam que a distância mínima entre os furos na chapa central deveria ser a seguinte:

Figura 1: Distâncias mínimas entre os furos para os rebites nas juntas.

Fonte: Própria.

Desse modo, foi utilizada uma broca de 6,8 mm de diâmetro para fazer cada furo, já que esse seria o valor correspondente a 1,06 vezes o diâmetro do rebite em sí. Os furos foram feitos com uma furadeira de bancada. A figura 2 mostra o processo de perfuração da junta, enquanto a figura 3 mostra a juntada montada, já com os respectivos furos.

Figura 2: Perfuração das juntas.

Fonte: Própria.

Figura 3: Junta furada.

Fonte: Própria.

Confecção do molde

Para confecção do molde metálico que seria utilizado para a fundição dos rebites, foram utilizadas 3 chapas de aço XXX com XX mm de espessura. O projeto do molde está representado a figura 4.

Figura 4: Modelo CAD 3D do molde projetado.

Fonte: Própria.

No entanto, devido ao fato do molde projetado não conter canal de saída de gases, foi preciso que o molde fosse adaptado. Assim, o número de furos para os rebites foi reduzido a 2, para que fossem aumentadas as probabilidades de rebites completos e sem falhas. A figura 5 mostra a configuração real do molde fabricado.

Figura 5: Molde metálico fabricado para fundição dos rebites.

Fonte: Própria.

Os furos para o corpo do rebite foram feitos com broca de 6,5 mm de diâmetro (Considerando a contração do material na solidificação), enquanto os furos para o massalote foram feitos com broca de 11 mm, e os buracos para as cabeças do rebite foram feitas com fresa de topo esférico de 10 mm.

Confecção dos rebites.

Para que fosse feita a confecção dos rebites, o molde foi aquecido com um maçarico para evitar mudanças na microestruturas do material causadas pela mudança brusca de temperatura do metal ao entrar em contato com as paredes. A figura 6 a seguir mostra o processo de aquecimento do molde.

Figura 6: Processo de aquecimento do molde metálico.

Fonte: Própria.

Em seguida, foi o alumínio foi fundido para que pudesse ser vertido no molde. Esse processo é mostrado no vídeo 1 a seguir.

Vídeo 1: Vertimento do alumínio líquido no molde metálico.

Fonte: Própria.

Ao fim da solidificação do alumínio, o molde bipartido foi aberto para que os rebites fundidos pudessem ser retirados. A figura 7 mostra o molde após a retirada da seção onde se localizavam as cabeças dos rebites, enquanto a figura 8 mostra o resultado final, com os rebites fundidos e retirados do molde.

Figura 7: Cabeças dos rebites ainda no molde.

Fonte: Própria.

Figura 8: Rebites fundidos.

Fonte: Própria.

Joint, mold and rivets manufacturing.

In the last few days, we started the manufacturing process of the joints, as well as the mold used for casting and the rivets.

Joints manufacturing

For the joints manufacturing, we used sheets made of  A 36 steel with a 5 mm thickness, according to what was calculated for the riveted joints design report. This value was calculated according to the maximum normal force to be endured by the joint (30 kN) and each rivet's diameter, and the material was chosen according to the team's avaliability.

The position of the holes in the joint was defined according to the project's restrictions, which indicated that the minimum distance between the holes in the middle sheet should be as follows:

Figure 1: Minimum distance between the rivets in the middle sheet.

Source: Own.

Therefore, we used a 6,8 mm diameter drill bit to make each hole, since this would be the value corresponding to 1,06 times the rivet's diameter itself. The holes were made using a drill bench. Figure 2 shows the process of the joint's drilling, while figure 3 shows the assembled joint, already with it's related holes.

Figure 2: Joints drilling.

Source: Own.

Figure 3: Assembled joint.

Source: Own.

Mold's manufacturing

For the manufacturing of the mold which would be used for the rivet's casting, we used 3 sheets of XXX steel with a XX mm tchickness. The mold's project is represented in figure 4.

Figure 4: 3D CAD model of the designed mold.

Source: Own.

However, due to fact that the designed mold didn't have a gas exit channel, it was necessary to adapt it. Therefore, the amount of rivets was reduced to 2, so the the probabilities fof having whole rivets without flaws was enhanced. Figura 5 shows the real shape of the manufactured mold.

Figura 6:Permanent mold used for the rivet's manufacturing.

Source: Own.

The holes used for the rivet's body were made using a 6,5 mm diameter drill bit (Considering the material's contraction during solidification), while the holes used for the riser were made using a 11 mm diameter drill bit, and the spaces for the rivet's head were made using a spherical end mill.

Rivets' manufacturing

So then the rivets were made, the mold was heated using a blowtorch in order to avoid changes in the material's microstructure caused by the metal's  sudden temperature change when getting in touch with the walls. Figura 6 below shows the mold's heating process.

Figure 6: Mold's heating process.

Source: Own.

Next, the aluminium was casted so then it could be poured into the mold. This process is shown in video 1 below.

Video 1: Pouring liquid aluminium in the mold.

Source: Own.

Ao fim da solidificação do alumínio, o molde bipartido foi aberto para que os rebites fundidos pudessem ser retirados. A figura 7 mostra o molde após a retirada da seção onde se localizavam as cabeças dos rebites, enquanto a figura 8 mostra o resultado final, com os rebites fundidos e retirados do molde.

By the end of the aluminium solidification, the two-party mold was opened so then the casted rivets could be withdrawn. Figure 7 shows the mold after withdrawing the section where the rivet's head was located, while figure 8 shows the final resulta, with the rivets already casted and taken out of the mold.

Figure 8: Rivets' heads while still inside the mold.

Source: Own.

Figure 8: Casted rivets.

Source: Own.

Glossário / Glossary: Corpo de prova / Specimen

Corpo de prova / specimen. Amostra de determinado material utilizada a fim de determinar propriedades mecânica da matéria a partir de ensaios mecânicos, como de tração e flexão, por exemplo. Exemplo: Nos ensaios de tração, os corpos de prova romperam a uma tensão média de 120 MPa. / Sample of certain material used for the purpose of determining the matter's mechanical properties through mechanical tests, such as tensile and bending, for exemple. Example: In the tensile test, the specimen teared at an average tension of 120 MPa.

Figura 1 / Figure 1: Esquematização de um corpo de prova de metal para ensaio de tração. / Layout of a metal specimen used for tensile tests.

Fonte / Source: Própria / Own

Glossário / Glossary: Contração / Shrinkage

Contração / Shrinkage. Diminuição do volume de um material devido ao resfriamento até a temperatura ambiente. Dá origem a uma heterogeneidade chamada vazio ou rechupe. Exemplo: Os metais, ao se solidificarem, sofrem três tipos de contração. / Decrease in a material's volume due to the cooling into room temperature. Originates a heterogeneity called a void or reject. Example: As they solidify, metals suffer three types of contraction.

Figura 1 / Figure 1: Processo de contração de um metal / Process of shrinkage of a metal.

Fonte / Source: Chiaverini (1986).

Referências / References:

CHIAVERINI, Vicente. Tecnologia Mecânica, Volume 2. 2ª edição. São Paulo: McGraw-Hill, 1986.

Cálculos de contração dos rebites na fundição

De acordo com Chiaverini (1986), os metais sofrem contração ao se solidificarem. Nesse processo, são identificadas 3 contrações:

• Contração líquida: Ocorre desde a temperatura de vertimento até a temperatura de início de solidificação. Essa contração é compensada a partir do uso de massalote;
• Contração de solidificação: Ocorre desde o início até o fim da solidificação. É compensada pelo uso de massalote;
• Contração sólida: Ocorre desde o fim da solidificação até o fim do resfriamento até a temperatura ambiente. É compensada pela mudança no projeto.

A imagem 1 a seguir mostra o processo de solidificação do metal após a fundição. A etapa a representa o metal logo após o vertimento, enquanto a etapa b representa a contração líquida, a c representa a contração de solidificação e a c a contração sólida.

Imagem 1: Processo de solidificação do metal após a fundição.

Fonte: Chiaverini (1986).

A fim de calcular a contração em cada um dos estágios, para que fosse possível determinar o diâmetro do furo que deverá ser feito no molde para fundição do rebite, foram calculados os volumes do alumínio em cada estágio da contração. Para isso, primeiramente foi calculado o volume na temperatura ambiente, a partir das medidas do rebite obtidas através do relatório de projeto das juntas rebitadas. A partir desse volume, foi calculada a massa do rebite, que seria constante ao longo de todo o processo.

Para o cálculo do volume nas temperaturas seguintes, foi necessária a determinação da densidade do material em cada um dos estados. Para isso, foi considerada uma liga de Alumínio Silício a 3% de Silício, de acordo com os dados recolhidos a partir de uma análise espectrométrica que revelou tal quantidade de Silício na liga a ser fundida

Os dados de densidade para cada temperatura foram obtidos a partir dos dados apresentados por Magnussun e Arnberg (2001), de densidades de ligas Al-Sn em função da temperatura.

Dessa maneira, com as respectivas densidades em cada estágio e massa do rebite que seria constante para todos eles, foi possível determinar o volume em cada uma das etapas.  A partir desses volumes, foram calculadas as seguintes contrações:

• Contração líquida: 2,49%;
• Contração de solidificação: 5,53%;
• Contração sólida: 4,87%.

Ou seja, o volume do massalote deverá ser cerca de 8% do volume do rebite, enquanto o furo do molde deverá ser 4,87% maior do que as medidas finais desejadas para o rebite.

Calculus of the rivets' shrinkgage during casting. 

According to Chiaverini (1986), metals suffer contraction during solidification. In this process, 3 types of shrinkage are identified:

• Liquid shrinkage: Happens since the pouring temperature until the temperature of solidification beggining. This contraction is compensated through the usage of a riser;
• Solidification shrinkage: Happens since the beggining until the end of the solidification. It is compensated through the usage of a riser;
• Solid shrinkage: Happens since the end of solidification until the end of the cooling process until the room temperature.

Image 1 below whows the metal's  solidification process after casting. Stage a represents the metal right after pouring, while stage b shows liquid shrinkage, c shows solidification shrinkage and  shows solid shrinkage.

Image 1: Contraction process after casting.

Source: Chiaverini (1986).

In order to calculate the shrinkage in each stage, so then it was possible to determine the diameter of the hole that will be done in the mold for the rivet's casting, the aluminium volumes were calculated for each stage of contraction. For that, firstly the volume at room temperature was calculated, through the rivet's dimentions obtained through the riveted joints project report. From this volume, the rivet's mass was calculated, which will be constante through the whole process.

For the calculus of the volume in the following temperatures, it was necessary to determine material's density in each one of the stages. For that, the material considered was an Aluminium Silicon alloy with 3% Silicon, according to the data collected from a spectrometric analysis which revealed the Silicon amount in the alloy to be casted.

The data of density for each temperature were obtained from were obtained through information presented by Magnussun e Arnberg (2001), of densities of Al-Si alloys in function of the temperature.

This way, whith the respective densities in each stage and the rivet's mass wich will be constant for all of them, it wa possible to determine the volume in each of the staged. From these volumes, the following contractions were calculated:

• Liquid contraction: 2,49%;
• Solidification contraction: 5,53%;
• Solid contraction: 4,87%.

Therefore, the riser's volume should be about 8% the rivet's volume, while the hole in the mold should be 4,8% bigger than the final measurements desired for the rivet.

Referências / References:

ARANGO, Juan Marcelo Rojas. Análise térmica de ligas Al-Si com adição de inoculante. 125 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Metalúrgica e de Materiais)- Universidade de São Paulo, São Paulo, 2009.

Nikanorov, S.P. et al. Structural and mechanical properties of Al–Si alloys obtained by fast cooling of a levitated melt. Materials Science and Engineering A 390. P. 63–69, 2004.

CHIAVERINI, V. Tecnologia Mecânica. v. 1-3. 2. ed. - São Paulo: McGraw-Hill, 1986.

MAGNUSSON, T and A RNBERG,L. Density and Solidification Shrinkage of Hypoeutectic Aluminum-Silicon Alloys. Metallurgical And Materials Transactions A. P. 2605-2613, 2001.

Postado por / Posted by: Mariana Mendes

Glossário / Glossary: Junta / Joint

Junta / Joint, pl. joints. Ligação onde se unem dois ou mais objetos. Podem ser fixadas mecanicamente ou com fixadores adesivos. Exemplo:  Quando junções mecânicas como parafusadas ou rebitadas são usadas em estruturas de compósito, fibras reforçadoras devem ser cortadas para fabricar o buraco do fixador. / Connection in which two or more objects are united. May be fastened either mechanically or with adhesive fasteners. Example: When mechanical joints such as bolting or riveting areused in composite structures, reinforcing fibers must be cut to fabricate the fastener hole.

Figura 1 / Figure 1: Junta / Joint.

Fonte / Source: Hibbeler.

Referência / Reference:

HIBBELER, R.C. Resistência dos materiais. 7ª edição. São Paulo: Pearson, 2009.


Postado por / Posted by: Mariana Mendes.

Errata

Após a coleta dos dados dos testes com o corpo de prova, foi necessária uma correção dos cálculos do projeto das juntas rebitadas. No projeto original, o alumínio foi considerado um material frágil devido aos resultados dos testes de grupos anteriores. Contudo, ao realizar os testes novamente, o material se mostrou dúctil. Assim, foi utilizada a teoria de falha para matérias dúcteis utilizando energia de distorção.

Devido a essa alteração dos cálculos, os novos valores serão:

Figura 1: novos valores

Fonte: própria

Sendo dF o diâmetro do furo, d o diâmetro do rebite, t a espessura da chapa, L o comprimento útil do rebite, dc o diâmetro da cabeça e hc a altura da cabeça. A quantidade de rebites permanece a mesma.

After collecting data from the tests with the specimen, a correction on the riveted joints project was necessary. In the original project, the aluminum was considered fragile due to the test results of previous groups. However, when redoing the test, the material was shown to be ductile. Because of that, the fail theory was changed for the one used to calculate fail on ductile materials utilizing distortion energy.

Due to this change on the calculus, the new values are:

Figure 1: new values

Source: own

With dF representing the hole’s diameter, d representing the rivet’s diameter, t representing the thickness of the plate, L representing the utile length of the rivet, dc representing the head’s diameter and hc representing the head’s height. The number of rivets remain the same.

Postado por / posted by: Rafaela Almeida

Glossário / Glossary: Modelo CAD 3D / 3D CAD model

Modelos CAD 3D / 3D CAD models. Desenhos 3D feitos com assistência de computador (Desenho Assistido por Computador) a partir de softwares de engenharia que permitem o desenvolvimento de peças em 3 dimensões para facilitar projetos e desenhos técnicos. Exemplo: Os modelos CAD 3D das juntas serviram como base para a sua fabricação. / 3D drawings made with a computer aid (Computer Aided Design) through engineering softwares which allow the development of pieces in 3 dimentions to facilitate designs and technical drawings. Example: The 3D CAD models of the joints were used as a base for their manufacture.

Imagem 1 / Image 1: Peça feita em CAD 3D / Piece made in 3D CAD.

Fonte / Source: Própria / Own.