Processo de Pedido de Patente e de Desenho para Ferramenta de. Soldadura e Processamento por Fricção Linear

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1 Instituto Superior Técnico Departamento de Engenharia Mecânica Secção de Tecnologia Mecânica Av. Rovisco Pais Lisboa Portugal Processo de Pedido de Patente e de Desenho para Ferramenta de Soldadura e Processamento por Fricção Linear Titulo: Sistema Modular Dual de Ferramenta para Soldadura e Processamento por Fricção Linear Domínio Técnico: Engenharia Mecânica Tecnologia dos Processos de Fabrico Processos de Soldadura Autores: Telmo Jorge Gomes dos Santos Pedro Miguel dos Santos Vilaça da Silva Lisboa, IST, Fevereiro de 2007

2 Índice Índice... 2 Resumo... 3 Descrição da Invenção... 4 Reivindicações... 7 Desenhos Técnicos... 8 Legendas das Figuras Contacto dos Inventores

3 Resumo Título: Sistema Modular Dual de Ferramenta para Soldadura e Processamento por Fricção Linear A presente invenção consiste num novo sistema estrutural de uma ferramenta para os processos tecnológicos de soldadura e processamento por fricção linear, de concepção modular dual e de elevada versatilidade, que permite diferentes combinações de parâmetros geométricos de soldadura, e que é ajustável a diferentes espessuras de chapas a soldar. Esta nova concepção visa facilitar e tornar menos dispendiosos estes processos tecnológicos quando é necessário utilizar parâmetros geométricos com elevada diversidade, como sejam diferentes geometrias e dimensões da base e do pino da ferramenta. A ideia mestra é a modularidade dos componentes base e pino e a possibilidade de afinação do comprimento saliente do pino. A geometria simétrica destes dois componentes permite-lhes uma dupla funcionalidade, dado que existem duas faces activas para a soldadura ou processamento. Assim, com apenas um conjunto base + pino obtêm-se quatro combinações diferentes de parâmetros geométricos. 3

4 Descrição da Invenção Domínio Técnico da Invenção Engenharia Mecânica / Tecnologia dos Processos de Fabrico / Processos de Soldadura Estado da Arte O processo de Soldadura por Fricção Linear (SFL) foi inventado e patenteado em Dezembro de 1991 (patente internacional n.º PCT/GB92/02203 e patente GB n.º , 6 de Dezembro de 1991; Thomas, Wayne M.). Na sua configuração convencional, a SFL é formada pela introdução, na junta definida pelas peças a ligar, de uma ferramenta mecânica não consumível animada de movimento de rotação e translação, cujo corpo da ferramenta define uma base da qual se destaca um pino com um comprimento ligeiramente inferior à penetração desejada. Existem à data diversos conceitos e configurações de ferramentas para a realização de SFL, com domínios de aplicação próprios e benefícios para a qualidade da soldadura igualmente distintos. Exemplos de algumas patentes de ferramentas de SFL são: U.S. 5,971,247; U.S. 5,697,544; U.S. 5,718,366; U.S. 6,138,895; U.S. 6,994,242 B2; U.S. 6,227, 430 B1; U.S. 5,893,507; U.S. 5,713,507; U.S. 7,032,801; U.S. 6,669,075 B2; U.S. 6,779,704 B2; EP ; EP A1 e GB A. A forma geométrica e as dimensões dos pinos e bases das ferramentas de soldadura são parâmetros cruciais do processo. Estes parâmetros continuam a ser alvo de investigação e desenvolvimento, o que implica a realização de soldaduras em elevado número e com diferentes combinações de bases e de pinos, em termos geométricos e dimensionais. Neste contexto, as configurações convencionais das ferramentas de SFL, tipicamente em monobloco, mostram-se inadequadas à realização de testes, nomeadamente em ambientes laboratoriais, dada a sua reduzida versatilidade e à impossibilidade de adaptar a mesma ferramenta a diferentes configurações de parâmetros de soldadura. 4

5 Descrição Pormenorizada da Invenção A presente invenção consiste num novo sistema estrutural de uma ferramenta para os processos tecnológicos de soldadura e processamento por fricção linear de concepção modular dual e de elevada versatilidade, que permite diferentes combinações de parâmetros geométricos, e que é ajustável a diferentes espessuras de chapas a soldar. Esta nova concepção estrutural da ferramenta visa facilitar e tornar menos dispendiosa a realização destes processos tecnológicos quando existe a necessidades de utilizar parâmetros geométricos com elevada diversidade, como sejam diferentes geometrias e dimensões da base e do pino da ferramenta. Necessidades desta ordem são diagnosticadas na indústria mas sobretudo na investigação e desenvolvimento em ambiente laboratorial. O presente sistema de ferramenta é constituído por 6 componentes (Figuras 1, 3, e 5) para os quais se adoptou a seguinte nomenclatura: 1) Corpo principal, 2) Base dual, 3) Pino dual, 4) Parafuso de afinação vertical, 5) Parafusos de fixação da base dual, 6) Parafuso de fixação do pino dual. A ideia mestra da concepção deste sistema de ferramenta consiste na modularidade dos componentes Base dual (2) e Pino dual (3) e também na possibilidade de afinação vertical do comprimento do Pino dual. (3). Adicionalmente, a geometria simétrica destes dois componentes permite uma dupla funcionalidade para ambos: a Base dual (2) tem as duas faces opostas preparadas para entrar em contacto directo com os materiais a soldar ou processar; e o Pino dual (3) caracteriza-se também por ter as duas extremidades preparadas para penetrar nos materiais a soldar ou processar (Figura 7). Desta forma, com apenas um conjunto Base dual (2) + Pino dual (3) é possível obter quatro combinações diferentes de parâmetros geométricos. Descreve-se seguidamente o modo de funcionamento do novo sistema de ferramenta: O Corpo principal (1), constituído por dois cilindros concêntricos de diâmetro diferente (Figura 1 e 2), é o componente estrutural que serve de suporte aos restantes componentes, e que permite a adaptação a uma pinça de um equipamento apto a realizar os processos tecnológicos de fricção linear. O Corpo principal (1) apresenta na base 5

6 inferior do cilindro de maior diâmetro uma geometria que permite acoplar a Base dual (2) e fixa-la com uma ligação aparafusada através do Parafusos de fixação da base dual (5) (Figura 3 e 5). No interior do Corpo principal (1), alinhado com o eixo de concentricidade dos cilindros, existe o Parafuso de afinação vertical (4) (Figuras 3 e 5) que suporta a carga vertical aplicada sobre o Pino dual (3) e permite regular a sua posição vertical relativamente à Base dual (2). O Parafuso de afinação vertical (4) caracteriza-se por uma rosca de passo 1mm, possibilitando de forma expedita relacionar o movimento angular com o deslocamento vertical. Esta relação de movimentos é quantificada com precisão adicional através de uma escala graduada, existente na superfície superior do Corpo principal (1) (Figura 6). A escala é composta por dez marcas radiais igualmente espaçadas de 36º umas das outras, correspondendo a cada uma um deslocamento vertical de 0.1mm para o Pino dual (3). A Base dual (2) com a sua geometria composta por três cilindros concêntricos e um furo central trespassante, permite soldar usando as duas faces opostas dos veios de menor diâmetro (Figura 7). Assim, para uma única Base dual (2) existem duas geometrias distintas que correspondem a dois parâmetros de soldadura diferentes. O Pino dual (3) caracteriza-se igualmente por uma geometria dual (Figura 7) que permite dispor de dois parâmetros de soldadura distintos. A sua face plana central (Figura 7) em conjunto com o Parafuso de fixação do pino dual (6) impede o movimento de rotação relativamente à Base dual (3) (Figura 5). O deslocamento permitido para o Parafuso de afinação vertical (4) garante um comprimento saliente do Pino dual (3) relativamente à Base dual (2) compreendido no intervalo [0,10] mm (Figura 4). 6

7 Reivindicações Em Anexo. 7

8 Desenhos Técnicos Figura Figura 2 8

9 Figura 3 Figura 4 9

10 Figura Figura 6 10

11 Figura 7 11

12 Legendas das Figuras Figura 1 Vista explodida de desenho de conjunto da ferramenta de SFL.com a nomenclatura dos vários componentes constituintes; 1) Corpo principal, 2) Base dual, 3) Pino dual, 4) Parafuso de afinação vertical, 5) Parafusos de fixação da base dual, 6) Parafuso de fixação do pino dual Figura 2 Vista tridimensional de desenho de conjunto da ferramenta de SFL com a nomenclatura dos vários componentes constituintes; 1) Corpo principal, 2) Base dual, 3) Pino dual, 4) Parafuso de afinação vertical, 5) Parafusos de fixação da base dual, 6) Parafuso de fixação do pino dual Figura 3 Vista tridimensional semitransparente de desenho de conjunto da ferramenta de SFL com a nomenclatura dos vários componentes constituintes; 1) Corpo principal, 2) Base dual, 3) Pino dual, 4) Parafuso de afinação vertical, 5) Parafusos de fixação da base dual, 6) Parafuso de fixação do pino dual Figura 4 Desenho técnico de conjunto da ferramenta de SFL com as cotas de atravancamento e a indicação das posições extremas do pino dual (3) e respectivo parafuso de afinação vertical (4); Figura 5 Vista em corte por dois planos perpendiculares de desenho de conjunto da ferramenta de SFL com a nomenclatura dos vários componentes constituintes; 1) Corpo principal, 2) Base dual, 3) Pino dual, 4) Parafuso de afinação vertical, 5) Parafusos de fixação da base dual, 6) Parafuso de fixação do pino dual Figura 6 Vista tridimensional de desenho de conjunto da ferramenta de SFL evidenciando a escala graduada utilizada para o ajuste do parafuso de afinação vertical (4); Figura 7 Pormenor da dualidade geométrica da Base dual (2) e do Pino dual (3) da ferramenta de SFL, esquematizando as quatro combinações possíveis de parâmetros geométricos com estes dois componentes. 12

13 Contacto dos Inventores Telmo Jorge Gomes dos Santos Telf.: Telm.: Pedro Miguel dos Santos Vilaça da Silva Telf.: Fax: Instituto Superior Técnico Departamento de Engenharia Mecânica Secção de Tecnologia Mecânica Av. Rovisco Pais Lisboa Portugal 13

14 Reivindicações 1. Sistema modular dual de ferramenta para os processos tecnológicos de soldadura e processamento por fricção linear, caracterizado por um conjunto base dual (2) + pino dual (3) de concepção modular e dual, com afinação vertical do comprimento do pino dual (3) ajustável a: a) Soldadura e processamento por fricção linear com diferentes parâmetros geométricos, através da utilização de diferentes combinações dos três componentes: corpo principal (1) + base dual (2) + pino dual (3); b) Soldadura em diferentes espessuras de chapas por via da variação do comprimento saliente do pino dual (3) através do ajuste do parafuso de afinação vertical (4). 2. Sistema modular dual de ferramenta para os processos tecnológicos de soldadura e processamento por fricção linear de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por uma geometria simétrica dos dois componentes, base dual (2) e pino dual (3), sendo que qualquer deles tem as duas faces preparadas para a soldadura, obtendo-se, desta forma, quatro combinações diferentes de parâmetros geométricos de SFL. 3. Sistema modular dual de ferramenta para os processos tecnológicos de soldadura e processamento por fricção linear de acordo com a reivindicação 1 e 2, caracterizado por incluir na sua constituição os seguintes componentes: corpo principal (1), base dual (2), pino dual (3), parafuso de afinação vertical (4), parafusos de fixação da base dual (5), parafuso de fixação do pino dual (6).

15 4. Sistema modular dual de ferramenta para os processos tecnológicos de soldadura e processamento por fricção linear de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por um corpo principal (1) com as seguintes características: a) Simetria axial, definido por um cilindro de maior diâmetro com uma reentrância e um furo na base inferior que permitem o acoplamento da base dual (2), e um cilindro de menor diâmetro com um furo na zona superior e um furo roscado interior no qual enrosca o parafuso de afinação vertical (4); b) Existência de uma escala graduada marcada na superfície superior do cilindro de menor diâmetro, composta por dez marcas radiais igualmente espaçadas de 36º umas das outras, que permite contabilizar a rotação do parafuso de afinação vertical (4) e relaciona-a com o seu deslocamento vertical. 5. Sistema modular dual de ferramenta para os processos tecnológicos de soldadura e processamento por fricção linear de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por uma base dual (2) com as seguintes características: a) Definida por três cilindros concêntricos e um furo central trespassante onde encaixa o pino dual (3); b) Existência de dois furos diametralmente opostos no cilindro central que permitem a sua fixação ao corpo principal (1), e de um furo roscado radial que impede a rotação do pino dual (3) por intermédio do parafuso de fixação do pino dual (6); c) As faces opostas dos dois veios extremos caracterizadas por geometrias especiais que promovem os processos tecnológicos de fricção linear, aquando do contacto destas com a superfície do material. 2

16 6. Sistema modular dual de ferramenta para os processos tecnológicos de soldadura e processamento por fricção linear de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por um pino dual (3) montado no interior da base dual (2), com as duas extremidades caracterizadas por geometrias especiais que promovem os processos tecnológicos de fricção linear aquando do contacto destas com o interior do material. 7. Sistema modular dual de ferramenta para os processos tecnológicos de soldadura e processamento por fricção linear de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizado pelo seguinte modo de funcionamento: a) O corpo principal (1) serve de suporte aos componentes, permite a adaptação a uma pinça de equipamento apto a realizar os processos tecnologicos, e apresenta na sua base uma geometria para acoplar a base dual (2) e fixá-la com uma ligação aparafusada através dos parafusos de fixação da base dual (5); b) No interior do corpo principal (1), existe um parafuso de afinação vertical (4) que suporta a carga vertical aplicada sobre o pino dual (3) e permite regular a posição vertical do pino dual (3) relativamente à base dual (2); c) A rotação do pino dual (3) é impedida por via do aperto do parafuso de fixação do pino dual (6) existente na base dual (2); d) A redução do comprimento saliente do pino é impedida por acção redundante do parafuso de afinação vertical (4) e do parafuso de fixação do pino dual (6). 8. Sistema modular dual de ferramenta para os processos tecnológicos de soldadura e processamento por fricção linear de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizada por: 3

17 a) Executar cordões de soldadura por fricção linear, na sua configuração convencional, em chapas topo-atopo, sobrepostas ou em T ; b) Executar processamento por fricção linear de material que beneficie deste processo tecnológico. Lisboa, 05 de Fevereiro de