Metrologia e Controle Dimensional

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1 João Cirilo da Silva Neto 2ª EDIÇÃO Revisada e Ampliada com Questões e Exercícios de Revisão Metrologia e Controle Dimensional Conceitos, Normas e Aplicações

2 Metrologia e Controle Dimensional Conceitos, Normas e Aplicações

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4 João Cirilo da Silva Neto 2ª EDIÇÃO Revisada e Ampliada com Questões e Exercícios de Revisão Metrologia e Controle Dimensional Conceitos, Normas e Aplicações

5 2019, Elsevier Editora Ltda. Todos os direitos reservados e protegidos pela Lei de 19/02/1998. Nenhuma parte deste livro, sem autorização prévia por escrito da editora, poderá ser reproduzida ou transmitida sejam quais forem os meios empregados: eletrônicos, mecânicos, fotográficos, gravação ou quaisquer outros. ISBN: ISBN (versão digital): Copidesque: Augusto Coutinho Revisão tipográfica: Marco Antonio Corrêa Editoração Eletrônica: Thomson Digital As imagens deste livro foram gentilmente concedidas pela Starrett Ind. e Com. Ltda. Elsevier Editora Ltda. Conhecimento sem Fronteiras Rua da Assembleia, n andar Sala Centro Rio de Janeiro RJ Av. Nações Unidas, nº º andar Brooklin São Paulo SP Serviço de Atendimento ao Cliente atendimento1@elsevier.com Consulte nosso catálogo completo, os últimos lançamentos e os serviços exclusivos no site NOTA Muito zelo e técnica foram empregados na edição desta obra. No entanto, podem ocorrer erros de digitação, impressão ou dúvida conceitual. Em qualquer das hipóteses, solicitamos a comunicação ao nosso serviço de Atendimento ao Cliente para que possamos esclarecer ou encaminhar a questão. Para todos os efeitos legais, a Editora, os autores, os editores ou colaboradores relacionados a esta obra não assumem responsabilidade por qualquer dano/ou prejuízo causado a pessoas ou propriedades envolvendo responsabilidade pelo produto, negligência ou outros, ou advindos de qualquer uso ou aplicação de quaisquer métodos, produtos, instruções ou ideias contidos no conteúdo aqui publicado. A Editora CIP-BRASIL. CATALOGAÇÃO NA PUBLICAÇÃO SINDICATO NACIONAL DOS EDITORES DE LIVROS, RJ S581m 2. ed. Silva Neto, João Cirilo da Metrologia e controle dimensional : conceitos, normas e aplicações / João Cirilo da Silva Neto ed. - Rio de Janeiro : Elsevier, : il. ; 24 cm. Inclui bibliografia e índice ISBN Metrologia. 2. Pesos e medidas. 3. Instrumentos de medição. I. Título CDD: CDU:

6 Dedico este livro à minha esposa, Suely, e aos meus filhos, Ciro e Alex.

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8 AGRADECIMENTOS A Deus, pela força e esperança; aos meus pais, José Maria e Maria Clara, pela existência, educação, amor, carinho e confiança; à minha esposa, Suely, e aos meus filhos, Ciro e Alex, pelo apoio, amor, confiança e compreensão; aos meus irmãos e irmãs, pelo apoio, carinho e amizade; aos meus parentes de todos os graus, cunhados e cunhadas pelo apoio, carinho e amizade; à diretoria e aos servidores do CEFET-MG, pela formação profissional e pelo apoio institucional; ao meu aluno Júlio Cesar Alves Junior, pelo apoio na execução das figuras e tabelas; à empresa Starrett pela cessão de uso das imagens de instrumentos fornecidas pela empresa; à empresa Mitutoyo pela colaboração; a todos os que contribuíram para a execução deste trabalho.

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10 O AUTOR João Cirilo da Silva Neto Doutor e Mestre em Engenharia Mecânica pela Universidade Federal de Uberlândia (UFU), nas áreas de Processos de Fabricação e Materiais. Graduação em Engenharia Mecânica e Licenciatura Plena em Mecânica pelo Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais (CEFET-MG). Possui Cursos de Especialização Pós- -Graduação Lato Sensu em Educação e Tecnologia pela UTRAMIG-BH e em Gestão Ambiental pelas Faculdades Integradas de Jacarepaguá-RJ. Possui mais de cinquenta artigos publicados em congressos e revistas nacionais e internacionais, nas áreas de Engenharia Mecânica, Educação, Ensino de Engenharia e Gestão Ambiental. Foi orientador de Projetos de Iniciação Científica pela FAPEMIG e CNPq. É avaliador atuante, qualificado e capacitado de Cursos de Graduação em Engenharia pelo MEC/INEP desde Tem experiência nas áreas de Gestão da Produção de Etanol (álcool hidratado e anidro) e Manutenção de Destilaria de Etanol, Gestão da Manutenção e Usinagem. Foi professor do Curso Técnico de Mecânica de 1995 a 2017 e do Curso de Engenharia de Automação Industrial, no CEFET-MG (Campus Araxá) de 2006 a Foi subchefe do Departamento de Eletromecânica do CEFET-MG (Campus Araxá). Foi coordenador do Curso Técnico de Mecânica e do Curso de Pós-Graduação Lato Sensu em Gestão Ambiental do CEFET-MG (Campus Araxá). Lecionou as disciplinas: Metrologia, Ajustagem, Retificação, Manutenção Industrial, Gestão Ambiental, Fundição, Tratamentos Térmicos, Ciência dos Materiais, Ensaios não Destrutivos, Desenho Básico, Tecnologia das Máquinas-Ferramentas, Mecânica dos Fluidos, Sistemas Integrados de Manufatura, Normalização e Qualidade Industrial.

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12 RESUMO A 2 a edição deste livro apresenta os principais conteúdos de Metrologia e Controle Dimensional, de forma clara e objetiva, de modo que o leitor possa conhecer as principais definições dos termos e a aplicabilidade de cada um. A preocupação em usar uma linguagem simples e exemplos práticos teve como base o fato de que a Metrologia, que é a ciência das medições, tem muitas aplicações, tanto para indústrias, universidades e laboratórios especializados, quanto para consumidores comuns. Além disso, seu conteúdo pode ser utilizado por estudantes de formação industrial básica, de cursos técnicos, de Engenharia ou por quaisquer profissionais que tenham interesse pelos estudos ou treinamentos na área de Metrologia. A Metrologia está muito presente no nosso dia a dia. As balanças dos supermercados são calibradas pelo Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial (Inmetro) ou por laboratórios acreditados (credenciados) por esse instituto. As bombas de combustível, os taxímetros, os medidores de pressão arterial (esfigmomanômetros) também são calibrados pelo Inmetro. Esta obra apresenta também as funções do Inmetro, que, no âmbito de sua ampla missão institucional, objetiva fortalecer as empresas nacionais, aumentando sua produtividade por meio da adoção de mecanismos destinados à melhoria da qualidade de produtos e serviços. São descritos o Sistema Internacional de Unidades (SI) e o sistema inglês, além de serem feitas conversões de um sistema para o outro. Ainda são abordadas a Metrologia Legal e a Metrologia Científica, porque são referências para as negociações nacionais e internacionais. Na indústria, os instrumentos de medição, como paquímetros, micrômetros e relógios comparadores, entre outros, são muito utilizados para a execução de medidas e controle dimensional de peças e equipamentos. Por isso, neste livro o leitor vai conhecer as aplicações desses e de outros instrumentos, além de poder fazer leituras com exemplos didáticos que simulam atividades práticas de medição. Nesse mesmo sentido, são mostrados estudos sobre calibradores, goniômetros, rugosímetros e rugosidade, projetor de perfil e máquina de medir por coordenadas. As tolerâncias e os ajustes que fazem parte do controle dimensional e geométrico de uma peça também são abordados neste livro. Um dos capítulos mostra a integração entre Metrologia e Estatística como essas disciplinas estão muito

13 Metrologia e controle dimensional interligadas, os conteúdos da Estatística foram utilizados para analisar erros e incertezas de medição. A calibração é abordada aqui porque somente instrumentos calibrados são capazes de oferecer uma medida confiável. Também será destacada a importância das normas NBR ISO/IEC e NBR ISO 9001 na Metrologia, que tratam dos requisitos para calibração e ensaios. Este livro apresenta a avaliação da conformidade como um instrumento indispensável e regulador dos mercados nacional e internacional no domínio da Metrologia. Nesse caso, são mostrados ainda os requisitos fundamentais para a acreditação de laboratórios pelo Inmetro. A Metrologia tem como foco principal prover confiabilidade, credibilidade, universalidade e qualidade às medidas. Como as medições estão presentes, direta ou indiretamente, em praticamente todos os processos de tomada de decisão, sua abrangência é imensa, envolvendo a indústria, o comércio, a saúde, a segurança, a defesa e o meio ambiente, para citar apenas algumas áreas. Em função de suas diversas aplicações, tem um caráter interdisciplinar muito forte e sua importância não deve ser desprezada em quaisquer áreas do conhecimento. Por esse motivo, na tomada de decisão em qualquer área sujeita a avaliação numérica, a Metrologia deve estar presente, assegurando a produção de resultados confiáveis, com base em princípios científicos e metrológicos adequados. Assim, este livro é um referencial que busca disseminar o estudo da Metrologia e do controle dimensional.

14 PREFÁCIO DA 2ª EDIÇÃO Em 2012, quando a 1 a edição do Livro Metrologia e Controle Dimensional foi publicada, nossas expectativas eram que iríamos atender a um segmento importante no mercado de livros didáticos. Felizmente, foi evidenciado que houve uma demanda muito boa no mercado deste tipo de publicação sobre metrologia. De fato, na 1 a edição mais de cópias foram vendidas. Através desse bom desempenho do material, decidimos publicar a 2ª edição que foi ampliada e revisada para consolidar ainda mais as características didático-pedagógica do seu conteúdo. Esta 2 a edição, como a anterior, pretende contribuir para o ensino da metrologia, é claro, a estudantes de cursos básicos, de técnicos, de engenharia, e especialmente a profissionais que utilizam a metrologia como ciência de medição nas mais diversas áreas. Além disso, consideramos que este texto é adequado àqueles que desejam incorporar conhecimentos essenciais de metrologia no seu dia a dia e que possam decidir de forma consciente, tendo como base as informações científicas inseridas no contexto desta 2 a edição. Este livro constitui-se em material inovador que estabelece conexões entre a teoria e a prática relativas aos conteúdos da disciplina Metrologia e apresenta textos, referências de normas técnicas, tabelas, figuras e gráficos que discutem temas atuais e relacionados com a Metrologia e o controle dimensional. O objetivo principal deste livro é mostrar os conceitos e as aplicações da Metrologia e do controle dimensional de forma clara e sucinta. Por isso, seu conteúdo pode ser utilizado por estudantes de formação industrial básica, de cursos técnicos, de tecnologia e de Engenharia ou por quaisquer profissionais que tenham interesse pelos estudos ou treinamentos na área de Metrologia. O livro foi escrito em capítulos que mostram a evolução histórica da Metrologia e sua contextualização para chegar ao controle de qualidade de uma medida materializada. Mas, se o leitor quiser se dedicar a um capítulo específico, isso não constitui um problema, porque as informações são conclusivas, ou seja, têm início, meio e fim. Os principais assuntos contidos neste livro são: definicões de Metrologia, Sistema Internacional de Unidades (SI), a conversão de unidades métricas de comprimento para o sistema inglês, as funções do Inmetro e Metrologia Legal, Científica e Industrial; procedimentos de leitura e aplicações dos instrumentos de medição e controle

15 Metrologia e controle dimensional dimensional, como régua graduada, metro articulado e trena, paquímetros, micrômetros, goniômetros, relógios comparadores, entre outros; tolerâncias e ajustes; fundamentos de Estatística aplicados na Metrologia, nos erros de medição e na determinação das incertezas tipo A e tipo B; calibração, verificação, regulamentação e confirmação metrológica. Além disso, o livro apresenta a avaliação da conformidade como um instrumento indispensável e regulador dos mercados nacional e internacional no domínio da Metrologia. Mostra a relação das normas NBR ISO/ IEC e NBR ISO 9001 com a Metrologia nesse caso, são apresentados os requisitos indispensáveis para acreditação (credenciamento) de laboratórios de calibração e ensaios pelo Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial (Inmetro). Apesar da extensão e da variedade dos conteúdos da Metrologia, neste livro o leitor terá facilidade para compreender a essência de cada tópico, porque houve preocupação em se apresentar uma redação acessível, além de gráficos, figuras, tabelas e exemplos de cálculos numéricos, que complementam o entendimento da matéria. Nesta 2 a edição, no final de cada capítulo, foram incluídas questões de revisão para que o leitor possa respondê-las com base no conteúdo estudado e que possa melhorar o seu conhecimento sobre cada tema. Nas questões que envolvem cálculos matemáticos, leituras de instrumentos de medições e interpretação de gráficos e tabelas, tomou-se o cuidado de se colocar as respostas dessas questões. Nesse caso, sugere-se que o leitor resolva os exercícios com consciência e só confira as respostas depois de concluída a resolução da questão. Com esse novo recurso didático, o leitor pode testar seu conhecimento e rendimento após o estudo de cada capítulo.

16 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO Questões de revisão relativas ao capítulo DEFINIÇÕES DE METROLOGIA Sistema Internacional de Unidades (SI) Conversão de unidades métricas de comprimento para o sistema inglês As funções do Inmetro, a Metrologia Legal, Científica e Industrial As funções do Inmetro Metrologia Legal Metrologia Científica e Industrial Questões de revisão relativas ao capítulo INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO E CONTROLE DIMENSIONAL Régua graduada, metro articulado e trena Paquímetros Outros tipos de paquímetro Leitura de paquímetro em milímetros Leitura de paquímetro em polegada fracionária e com resolução de 1 / Leitura de paquímetro em polegada milesimal e com resolução de 0, Principais técnicas de medição com paquímetros Micrômetros Princípio de funcionamento do micrômetro Procedimento de leitura no micrômetro externo com resolução de 0,01 mm Leitura em um micrômetro externo com resolução de 0,001 mm...52 xv

17 Metrologia e controle dimensional xvi Leitura em micrômetros internos com resolução de 0,005 mm e 0,001 mm Leitura no micrômetro externo em polegada milesimal e com resolução de 0, Leitura no micrômetro externo em polegada milesimal e com resolução de 0, Outros tipos de micrômetro Principais técnicas de medição com micrômetros Exercícios de revisão Relógios comparadores Leitura no relógio comparador centesimal Principais aplicações dos relógios comparadores Recomendações para utilização dos relógios comparadores Exercícios de revisão Goniômetro ou transferidor de graus Definições gerais Leitura de graus e minutos no goniômetro Principais aplicações do goniômetro ou transferidor de graus Exercícios de revisão Blocos padrão Exercícios de revisão Calibradores Caracterização dos principais tipos de calibrador Cálculo de calibradores de fabricação Critérios de recebimento e rejeição de peças Exercícios de revisão Rugosidade e rugosímetros Definições iniciais Importância das pesquisas sobre a rugosidade Critérios para avaliar a rugosidade Sistemas de medição da rugosidade superficial Parâmetros de rugosidade Rugosímetros Exercícios de revisão Projetores de perfil Exercícios de revisão Máquina de medir por coordenadas (MMC) Definições gerais Principais tipos de máquinas de medir por coordenadas Exercícios de revisão

18 4. SISTEMA DE TOLERÂNCIAS E AJUSTES E TOLERÂNCIAS GEOMÉTRICAS Sistema de tolerâncias e ajustes Campo de tolerância Sistema de ajuste Tipos de ajuste Designação de tolerâncias e ajustes Tolerâncias geométricas Definições iniciais Tolerâncias de forma Tolerância de orientação Tolerância de posição Tolerância de batimento circular radial e circular axial Exercícios de revisão do capítulo Exercícios propostos sobre unidade de tolerância FUNDAMENTOS DE ESTATÍSTICA APLICADOS NA METROLOGIA, ERROS DE MEDIÇÃO E INCERTEZA DE MEDIÇÃO Principais Conceitos Definição de Estatística Relação entre Estatística e Metrologia Medidas de posição ou de tendência central Medidas de dispersão Erros de medição Definições iniciais Diferença entre precisão e exatidão Exemplo de cálculo do erro sistemático ou tendência e repetibilidade Incerteza de medição Definições iniciais Estimativa da Incerteza Padrão Tipo A Estimativa da Incerteza Tipo B Procedimento experimental para cálculo das Incertezas Tipo A e Tipo B Questões de revisão sobre o capítulo CALIBRAÇÃO, VERIFICAÇÃO, REGULAMENTAÇÃO E CONFIRMAÇÃO METROLÓGICA Definição de calibração Características das operações de calibração Oferta e demanda por serviços laboratoriais de ensaios e calibração Principais requisitos para calibração e ensaios xvii

19 Metrologia e controle dimensional Procedimento de calibração Verificação metrológica Regulamentação metrológica Confirmação metrológica Questões de revisão sobre o capítulo AVALIAÇÃO DA CONFORMIDADE E ACREDITAÇÃO DE LABORATÓRIOS Conceitos da avaliação de conformidade Significado de um produto com conformidade avaliada Requisitos e principais mecanismos para avaliação da conformidade Acreditação de laboratórios Organismo de acreditação de laboratórios no Brasil Principais etapas para solicitação de acreditação Vantagens da acreditação Questões de revisão sobre o capítulo CONSIDERAÇÕES FINAIS Questões de revisão NOTAS ÍNDICE xviii

20 Metrologia e Controle Dimensional A Metrologia ciência das medições e suas aplicações é de fundamental importância no processo de desenvolvimento científico e tecnológico e no cotidiano de todos os seres humanos, porque pode ser percebida em atividades que necessitam, por exemplo, de pesagem de produtos que utilizam balanças de supermercado, nas bombas de combustíveis, na aferição de taxímetros e radares de trânsito, nos medidores de pressão arterial, na medição de peças e equipamentos nas oficinas, no comércio em geral, nos processos de produção industrial, e muitos outros. Como as medições estão presentes, direta ou indiretamente, em praticamente todos os processos de tomada de decisão, a abrangência da Metrologia é imensa, envolvendo a indústria, o comércio, a saúde, a segurança, a defesa e o meio ambiente, para citar apenas algumas áreas. Tendo a Metrologia como foco principal prover confiabilidade, credibilidade, universalidade e qualidade às medidas, cabe ao Inmetro (Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia), fiscalizar e regulamentar os instrumentos e processos de medição do Brasil, por meio de seus órgãos delegados nos estados, os quais, em sua grande maioria, são conhecidos por IPEM (Instituto de Pesos e Medidas). Nesta 2ª edição revisada e ampliada, além de definições das áreas de Metrologia, instrumentos de medições e controle como paquímetros, micrômetros e relógios comparadores, entre outros, tolerâncias e ajustes, cálculos de erros e incertezas de medição, calibração, verificação, regulamentação, confirmação metrológica e avaliação da conformidade, foram incluídos questões e exercícios de revisão, leituras de instrumentos de medições e interpretação de gráficos e tabelas, cálculos de tolerância dimensional, erros e incertezas de medição. É importante ressaltar que nesses casos foram colocadas as respostas para verificação do conhecimento no final de cada capítulo. Apesar da extensão e da variedade dos conteúdos da Metrologia, nesta 2ª edição, o leitor terá facilidade para compreender a essência de cada tópico porque houve a preocupação em se apresentar uma redação clara, acessível e objetiva que facilita o entendimento de cada conteúdo. Este livro-texto é destinado a estudantes dos cursos de graduação de Engenharia e de Tecnologia e a estudantes de cursos técnicos e de formação industrial básica, além de ser um guia teórico-prático para quaisquer profissionais interessados pelos estudos ou treinamentos na área de Metrologia.