ESTUDO DA DISTRIBUIÇÃO DE TENSÕES EM DENTES DE SERRA FITA COMERCIAL PARA CORTE DE MADEIRA, UTILIZANDO ANÁLISE NUMÉRICA E IMAGENS DIGITAIS.

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1 ESTUDO DA DISTRIBUIÇÃO DE TENSÕES EM DENTES DE SERRA FITA COMERCIAL PARA CORTE DE MADEIRA, UTILIZANDO ANÁLISE NUMÉRICA E IMAGENS DIGITAIS. Elder Jesus Lima Machado Daniel Villas Bôas Alexandre Jorge Duarte Souza Julio Cesar Molina daniel@itapeva.unesp.br Campus Experimental de Itapeva UNESP, Rua Geraldo Alckmin 519 Itapeva SP, Brasil Cep: RESUMO A lâmina de serra fita é utilizada no desdobro de toras de madeira, em operação a lâmina sofre diversos esforços cíclicos, que podem vir a causar um dano por fadiga no material. A proposta do trabalho foi desenvolver um modelo numérico o mais próximo possível da realidade, para analisar a concentração de tensão na região dos dentes. Portanto, no estudo foram construídos dois modelos utilizando-se o Método dos Elementos Finitos. No primeiro modelo a lâmina está submetida à tensão de tração, condições imposta na montagem da serra na máquina. Quanto ao segundo modelo, além da tensão de tração da montagem, existem também os esforços provocado pela força de corte da operação. A ideia inicial era realizar experimentos para comprovação dos resultados, aplicando-se a força de corte no dente com um dispositivo, e captura de imagem da deformação elástica. Assim, os resultados da deformação e deslocamento obtidos na simulação seriam comparados. Palavras-chave: força de corte, análise numérica, serra fita. 6516

2 STUDY OF THE DISTRIBUTION OF TENSIONS IN SAW BLADE FOR WOOD CUTTING, USING NUMERICAL ANALYSIS AND DIGITAL IMAGES. Abstract The saw blade strip is used in the unfolding of wood logs, in operation the blade undergoes various cyclic stresses, which can cause by material fatigue damage. The purpose of this study was to develop a numerical model as close to reality as possible to analyze the concentration of tension in the teeth region. Therefore, in the study two models were constructed using the Finite Element Method. In the first model the blade is subjected to the tensile stress imposed on the assembly of the saw in the machine. As for the second model, in addition to the tensile stress of the setting, there are also the stresses caused by the cutting force of the operation. The initial idea was to perform experiments to prove the results, applying the cutting force on the tooth with a device, and image capture of the elastic deformation. Thus, the results of the deformation and displacement obtained in the simulation would be compared. Keywords: cutting force, numerical analysis, band saw. 1. INTRODUÇÃO A lâmina de serra fita tem como vantagem a possibilidade de se trabalhar com peças de secção maiores e pequenas espessuras de corte, quando comparada com a lâmina circular, o que resulta numa menor perda de material. Contudo, uma desvantagem em função da sua pequena espessura é a falta de estabilidade, em relação aos desvios de corte provocados pela operação. No movimento de rotação os esforços passam a ser cíclicos, e são agravados quando atuam os esforços de torção devido ao avanço da madeira, o aquecimento da ferramenta e demais esforços provocados pela força de corte. A força de corte é influenciada por diversos fatores como: geometria da ferramenta, estado de afiação da aresta de corte, vibração lateral, condições de 6517

3 usinagem, teor de umidade da madeira, espécie da madeira, densidade, entre outros. Para efeito de estudo, essa força é decomposta em duas: a força principal de corte, também chamada de força paralela (Fp) e a força normal (Fn). A força Fp tem essa denominação por sua direção ser paralela ao deslocamento da aresta cortante, ou seja, paralela à lâmina de serra fita (NÉRI, 2003). A Figura 1 representa os componentes da força de corte. Figura 1 - Fonte: Adaptado Néri (2003) 2. OBJETIVO O presente trabalho teve como objetivo: _ Desenvolver um modelo sem a aplicação de Fp (Modelo 1) e realizar uma análise de convergência. _ Desenvolver um modelo com a aplicação de Fp (Modelo 2) e comparar os resultados de deslocamento da simulação com os resultados experimentais. _ Analisar o comportamento de σy ao longo da lâmina. 3. MATERIAIS E MÉTODOS Na análise foi proposta a situação mais crítica de sujeição da ferramenta no desdobro de toras, considerando-se apenas a geometria da ferramenta e as características do material a ser processado. 6518

4 3.1. Características geométricas da ferramenta A ferramenta utilizada para a análise foi uma lâmina larga, empregada no desdobro da madeira. As geometrias foram determinadas pela digitalização da ferramenta conforme a Figura 2, utilizando-se um scanner Epson Stylus TX133. Dessa forma, foram obtidos: o ângulo de cunha, o ângulo de saída do cavaco, o ângulo de folga, o passo e a área da garganta. Na sequência a imagem digitalizada foi processada no software ImageJ 1.5, para obter-se as dimensões geométricas. Além de definir a região mais crítica de corte, o dimensional de toda a geometria da ferramenta, contribuiu para a modelagem computacional feita posteriormente. Esse método foi utilizado para se obter o dimensional da ferramenta com maior precisão, a seguir os dados foram registrados e utilizados no pré-processamento do software para análise pelo Método dos Elementos Finitos. Figura 2 - Imagem da lâmina de serra digitalizada (Fonte: Autor) 3.2. Metodologia para análise numérica Na análise numérica foram utilizados os recursos computacionais e o software comercial Abaqus 6.14, obtendo-se dois modelos com as seguintes condições de contorno: _ Modelo 1: A lâmina encontra-se no estado de tração, a princípio o modelo foi utilizado como parâmetro para o segundo modelo, a fim de se definir a malha. 6519

5 _ Modelo 2: A simulação foi realizada com a força de corte agindo em cinco dentes, onde foi analisada a variação da tensão normal longitudinal (σy) ao longo da lâmina. Os dados de σy foram extraídos dos nós mais próximos às linhas imaginárias, bem como a numeração dos dentes conforme a Figura 3. O material da ferramenta foi definido como o aço 1070, os dados de entrada para o pré-processamento do software são: densidade igual a 7850 Kg.m -3, modulo de elasticidade de 200 GPa, coeficiente de Poisson de 0,29 (MatWeb, 2018). A definição de outros dados do material não foi necessária, porque na simulação foi considerado o regime elástico. Figura 3 Mapeamento da linha imaginária para extração dos dados (Fonte: Autor) 3.3. Considerações dos modelos para o pré-processamento No Modelo 1 não se considerou as forças de corte, devido à condição inicial do processo, ou seja, apenas o esforço de tração imposto pela montagem da lâmina de serra na máquina conforme a Figura 4 esquerda. As condições de contorno da simulação foram definidas da seguinte maneira, na parte superior foi imposta uma tensão de tração com 70 MPa, conforme obtido na pesquisa de NÉRI, 2003, na parte inferior foi feita a seguinte restrição U2=UR1=UR3=0. No Modelo 2 representado pela Figura 4 a direita, além das mesmas condições de contorno do primeiro modelo, aplicou-se uma força de 66N em cada um dos cinco dentes. 6520

6 Figura 4 - Restrições nos modelos (Fonte: Autor) 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES No Modelo 1 foi utilizada a função Adaptive Remeshing do Abaqus, esse recurso permitiu gerar diversas malhas automaticamente, refinando a malha de acordo com a necessidade de cada região. Na Figura 3 pode ser observada todas as regiões estudadas, nas regiões C3, C4 e C5 a configuração da malha é constante, já na região C2 ocorre o refinamento e na região C1 o refinamento se intensifica conforme a Figura 5. Nessas condições obteve-se a malha ideal para análise. Figura 5 Malha escolhida para análise (Fonte: Autor) 6521

7 Após a determinação da malha no Modelo 1, esta foi importada para o Modelo 2 com os mesmos passos atribuídos anteriormente, aplicando-se as forças de corte conforme a Figura 4 a direita, sem a necessidade de se criar uma malha nova. A Tabela 1 mostra os dados das simulações realizadas para o Modelo 1, na qual se obteve a convergência dos resultados, tendo-se a malha com 2011 elementos como escolhida para simulação no Modelo 2. Outro modelo com um maior número de elementos não foi conveniente, porque exigiu maior tempo de processamento sem melhoria significativa dos resultados. Tabela 1 Análise de convergência dos resultados (Fonte: Autor) O modelo 2 também apresentou bons resultados na distribuição das tensões σy conforme a Figura 6, a tensão de tração com maior intensidade atingiu 195 MPa, já a tensão de compressão atingiu 246,1 MPa, ou seja, ambas menores que a tensão de limite de escoamento do material 495 MPa. No entanto, uma correta verificação do modelo só deve ser obtida com os resultados experimentais, o que não foi possível devido a problemas encontrados na construção do dispositivo de aplicação da força de corte. A ideia era aplicar uma carga no dente da lâmina similar ao da simulação, mensurar o deslocamento e comparar com o deslocamento apresentado na Tabela 1 da simulação. 6522

8 Figura 6 - Resultados da tensão σy [Pa] do Modelo 2 (Fonte: Autor) 5. CONCLUSÃO No modelo sem a aplicação de Fp (Modelo 1) foi possível realizar várias simulações, para obter-se uma malha otimizada e precisa para o modelo 2. O modelo com a aplicação de Fp (Modelo 2) mostrou que nas condições operacionais, a intensidade dessa força não causa falha por ruptura no material da serra. A proposta para trabalhos futuros é realizar os ajustes necessários no dispositivo, para obter-se o deslocamento experimental, a seguir utilizar a malha otimizada na simulação para analisar os resultados e propor melhorias. 6. BIBLIOGRAFIA ABAQUS. Version [S.l.]: Dassault Systemes, 2014 MatWeb. Propriedades mecânicas dos materiais. Disponível em: Acesso em: 19 set NÉRI, A. C. Parâmetros de corte na usinagem da madeira f. Tese (Doutorado em Engenharia Agrícola) - Faculdade de Engenharia Agrícola, Universidade Estadual de Campinas, Campinas,