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.
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 ARNBERG,L.
Density and Solidification Shrinkage of
Hypoeutectic Aluminum-Silicon Alloys. Metallurgical And Materials
Transactions A. P. 2605-2613, 2001.
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.
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.
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.
Nessa semana, foram feitos os cálculos dimensionais das juntas rebitadas, de modo a definir as medidas dos rebites e das juntas considerando os esforços aos quais serão submetidos. Considerando a força de 30 kN à qual as juntas devem resistir, foi possível determinar a quantidade de rebites nas juntas, assim como o diâmetro de cada rebite. A partir de normas técnicas, foi possível também determinar o restante das dimensões do rebite.
As figuras 1 e 2 a seguir mostram, respectivamente, o rebite que será fabricado através do processo de fundição em sua forma inicial, e esse mesmo rebite após o processo de rebitagem.
Figura 1: Rebite antes da rebitagem
Fonte: Própria.
Figura 2: Rebite depois da rebitagem.
Fonte: Própria.
A figura 3 a seguir mostra a junta rebitada, evidenciando as medidas da junta.
Figura 3: Junta rebitada.
Fonte: Própria.
Por fim, a figura 4 mostra a vista explodida da junta, apresentando todos os componentes.
Figura 4: Vista explodida da junta rebitada.
Fonte: Própria.
Riveted joints design
This week, the riveted joint's dimensional calculus were executed, in order to define the rivets and joints dimensions, considering the strain they will be subjected to. Considering the 30kN strength to which the joints must resist, it was possible to define the amount of rivets in the joint, as well as each rivet's diameter. Through technical norms, it was also possible to determine the rest of the rivet's dimensions.
Figures 1 and 3 show, respectively, the rivet which will be manufactured after the casting process in its inicial form, and that same rivet after the riveting process.
Figura 1: Rivet before riveting.
Source: Own.
Figura 2: Rivet after riveting.
Source: Own.
Figure 3 below shows the riveted joint and its dimentions.
Figure 3: Riveted joint.
Source: Own.
Lastly, figure 4 shows the joint's exploded view, presenting all the components.
Ensaio de tração / Tensile test. Ensaio através do qual um corpo de prova é submetido a uma carga axial a fim de determinar propriedades mecânicas desse material quando submetido a tal tipo de esforço. Exemplo: O ensaio de tração do alumínio indicou uma tensão de ruptura de 120 MPa. / Test through which a specimen is subjected to an axial force in order to determine this material's mechanical properties when subjected to this kind of stress. Example: The aluminium tensile test indicated a fracture stress of 120 MPa.
Figura 1 / Figura 1: Máquina de ensaio de tração / Tensile test machine.
Para que fosse possível dimensionar tanto os rebites quanto as juntas a serem usados no projeto, fez-se necessária a caracterização do material a ser utilizado na fabricação do rebite, nesse caso, o alumínio reciclado.
Uma análise espectrométrica realizada no material a ser usado pela equipe revelou uma quantidade de cerca de 3% de Silício, caracterizando uma liga Alumínio-Silício. Sendo assim, fez-se necessário um ensaio de tração para obtenção dos dados de resistência mecânica relacionados a esse material.
Foi feito apenas um ensaio com corpo de prova confeccionado pela equipe, por conta da restrição de tempo e ferramental. Entretanto, os resultados desse ensaio foram pouco confiáveis e não conclusivos, uma vez que indicaram o escoamento da liga a uma tensão de 2,55 MPa. Em comparação, a tensão de escoamento do alumínio comum é de cerca de 85 MPa. O resultado do ensaio de tração da equipe Alumite está indicado na imagem 1 a seguir.
Imagem 1: Resultados do ensaio de tração - Equipe Alumite.
Fonte: Própria.
Como os dados recolhidos não se mostraram confiáveis, foi necessário adotar dados diferentes para o projeto dos rebites. Assim, foram utilizados os dados de teste de tração da equipe JLMP Engenharia, com a permissão da equipe, realizado com corpo de prova feito do mesmo material, a partir do mesmo processo de fabricação. O resultado do teste de tração dessa equipe está indicado na imagem 2.
Imagem 2: Resultados do ensaio de tração - Equipe JLMP.
Fonte: JLMP Engenharia.
Desse modo, os dados relacionados às propriedades mecânicas da liga utilizada a serem utilizados no projeto das juntas rebitadas foram:
Tensão máxima: 121,16 MPa;
Tensão de escoamento: 77,16 MPa;
Alongamento na ruptura: 19,03 MPa.
Tensile tests with the specimen
So then it was possible to design the rivets as well as the joints to be used in the project, it was necessary to characterize the material which would be used in the rivet's manufacturing, in this instance, the recicled aluminium.
A spectrometric analysis performed on the material to be used by the team revealed an amount of about 3% Silicon, characterizing an Aluminium-Silicon alloy. Thereby, it was necessary to perform a tensile test in order to obtain the data related to the material's mechanical properties.
It was performed only one test with the specimen manufactured by the team, due to time and tooling restrictions. However, this test's results were little reliable and not conclusive, since they evidenced the alloy's yield at a stress of 2,55 MPa. In comparisson, a regular aluminium's yield stress is around 85 MPa. The results for the team's tensile test is shown in imagem 1 below.
Imagem 1: Tensile test results - Team Alumite.
Source: Own.
Since the data collected did not appear to be reliable, it was necessary to adopt different data for the rivet's design. Therefore, the data for the tensile test performed by team JLMP Engineering were used, with their excuse. This test was made using specimen made with the same material, by the same manufacturing process. The results for this team's tensile test is shown in image 2.
Imagem 2: Tensile test results - Team JLMP.
Fonte: JLMP Engineering.
Thereby, the data related to the mechanical properties of the alloy which will be used in the riveted joints design were:
Maximum stress: 121,16 MPa;
Yield stress: 77,16 MPa;
Fracture elongation: 19,03 MPa.
Referências / References:
JLMP Engenharia. Ensaio de tração do corpo de prova. Disponível em / Avaliable at: <http://jlmpengenharia.blogspot.com.br/2017/11/ensaio-de-tracao-do-corpo-de-prova.html>.
Massalote / riser, pl. risers. Reserva de metal líquido usada na fundição para controlar o vazio causado pela contração do metal durante a solidificação. Esse excesso de metal é posteriormente usinado para dar a forma final à peça. Exemplo: Ainda com o modelo do corpo de prova posicionado, foram inseridos tubos de aço para confecção do massalote e do canal de alimentação. Liquid metal backlog used in casting to control the void caused by the metal's shrinkage during solidification. This metal excess is then machined in order to give the piece its final shape.
Figura 1 / Figure 1: Peça fundida evidenciando o massalote / Casted piece showing the riser.
Fonte / Source: Própria / Own.
Referências / References:
CHIAVERINI, Vicente. Tecnologia Mecânica, Volume 2. 2ª edição. São Paulo: McGraw-Hill, 1986.
Nos últimos dias, foi finalizada a fundição para obtenção dos corpos de prova de alumínio para realização do ensaio de tração.
O corpo de prova foi feito a partir da fundição em areia verde. Esse processo foi escolhido em detrimento aos outros por conta da simplicidade da sua aplicação, e do seu baixo custo. A fundição em molde permanente sob gravidade foi considerada, mas, para que pudesse ser realizado, esse processo demandaria um molde bipartido com medidas específicas do corpo de prova normatizado, ou a posterior usinagem de um tarugo fundido. Por conta do curto prazo e da falta de disponibilidade para a usinagem, esse processo não foi escolhido.
Para obtenção do corpo de prova, primeiramente o modelo do corpo de prova, feito de alumínio, foi posicionado na parte inferior de uma das caixas. Assim, a areia foi gradualmente depositada e compactada acima do modelo, como na figura 1 a seguir.
Figura 1: Primeira etapa da fundição.
Fonte: Chiaverini.
Em seguida, a caixa foi virada para realização da etapa seguinte, como mostrado na figura 2.
Figura 2: Segunda etapa da fundição.
Fonte: Chiaverini.
Assim, após adição de pó de grafite para evitar a aderência entre as duas caixas, e eventual ruptura da areia, foi posicionada a segunda caixa diretamente acima da primeira. Ainda com o modelo do corpo de prova posicionado, foram inseridos tubos de aço para confecção do massalote e do canal de alimentação, como mostrado na figura 3.
Figura 3: Terceira etapa da fundição
Fonte: Chiaverini.
Em seguida, foram retirados os tubos e o modelo para formação dos vazios por onde passaria o metal fundido, como apresentado na figura 4.
Figura 4: Quarta etapa da fundição.
Fonte: Chiaverini.
Desse modo, foi possível verter o alumínio dentro do molde, de modo a ocupar toda a cavidade deixada pelo modelo. Um vídeo da etapa de vertimento está disponível abaixo.
Vídeo 1: Vertimento do alumínio no molde.
Fonte: Própria.
Assim, foi obtido o corpo de prova obtido na figura 5, que foi posteriormente usinado para retirada do excesso de alumínio, para atender aos requisitos.
Figura 5: Corpo de prova após a fundição.
Fonte: Própria.
Casting process for the tensile test specimen
In the last days, the aluminium spencimen used for the tensile test was manufactured, through metal casting.
The specimen was manufactured through green sand casting. This process was chosen over the others due to its simple application, and low cost. The team considered permanent mold casting under gravity, but this process would demand a two-party mold with the normalized specimen's specific dimentions, or the following machining of a casted billet. Due to the short deadline and lack of avaliability for machining, this process wasn't chosen.
In order to obtain the speciment, first the specimen's model, made of aluminium, was positioned in the bottom part of one of the boxes. Thereby, the sand was gradually deposited and compacted above the model, as shown in figure 1 below.
Figure 1: First casting stage.
Source: Chiaverini (modified)
Next, the box was flipped over in order to execute the next stage, as shown in figure 2.
Figure 2: Second casting stage.
Source: Chiaverini (modified)
This way, after adding graphite powder in order to avoid the adherence between the boxes, and eventual rupture of the sand, the second box was positioned directly above the first one. Still with the specimen model positioned, iron steel tubes were inserted to make the riser and the sprue, as shown in figure 3.
Figure 3: Third casting stage.
Source: Chiaverini (modified)
Next, the tubes and the model were removed for forming the void through which the molten metal would pass, as shown in figure 4.
Figure 4: Fourth casting stage.
Source: Chiaverini (modified)
Therefore, it was possible to pour the aluminium inside the mold, so as to occupy all the cavity left by the model. A video of this stage is shown below.
Video 1: Pouring aluminium into the mold
Source: Own
This way, the specimen shown is figure 5 a was obtained. It was then machined in order to remove the aluminium excess and meet the requirements.
Figure 5: Corpo de prova após a fundição.
Fonte: Própria.
Referências / References:
CHIAVERINI, Vicente. Tecnologia Mecânica, Volume 2. 2ª edição. São Paulo: McGraw-Hill, 1986.
