OTIMIZAÇÃO DE CALIBRAÇÃO DE CALIBRADOR TAMPÃO ROSCADO CILÍNDRICO.

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1 OTIMIZAÇÃO DE CALIBRAÇÃO DE CALIBRADOR TAMPÃO ROSCADO CILÍNDRICO. CONEM Resumo: Este trabalho apresenta um aperfeiçoamento de calibração, que será desenvolvido no Laboratório de Metrologia da UFRN. Para realização deste trabalho serão utilizados equipamentos, como: o projetor de perfil para análise do ângulo do filete; metroscópio horizontal, bem como o conjunto de arames padrão para determinação do diâmetro efetivo da rosca, parâmetro importantíssimo para que ocorra a boa conexão. Com a otimização desta calibração será possível que diferentes usuários do referido laboratório possam realizar a calibração de forma adequada, bem como minimização dos erros. Vale salientar que os calibres roscados são instrumentos importantíssimos na indústria, utilizados por exemplo para verificação de roscas em caldeiras e vasos de pressão, por isso a busca por uma realização realizada de forma adequada. Palavras-chave: procedimento, calibração, rosca 1. INTRODUÇÃO Calibradores são padrões geométricos largamente empregados na indústria metal-mecânica. Na fabricação de peças sujeitas a ajuste as dimensões têm tolerâncias de fabricação fixadas pelo projeto. Para se efetuar a qualificação destas peças de forma rápida utilizam-se os calibradores do tipo passa/não-passa. Dada a sua grande simplicidade e seu preço relativamente reduzido, os calibradores constituem uma solução econômica para uma série de problemas de medição na indústria, como verificação de furos, eixos, roscas, etc., quanto a seu enquadramento ou não na faixa de tolerância. Com a automatização, os calibradores, no entanto, vão perdendo a sua importância dentro do processo de fabricação. 2. EXECUÇÃO DO PROJETO Os calibradores são fabricados de tal forma a possuírem as dimensões máximas e mínimas de uma determinada geometria, como furos, roscas, comprimentos, etc. A fabricação de calibradores exige uma técnica apurada visto que suas tolerâncias não devem exceder de um quinto a um décimo das tolerâncias da dimensão a verificar, a Fig. 1 mostra alguns calibradores roscados. Calibradores de roscas, por exemplo, apresentam tolerâncias de fabricação que partem da ordem de ± 5 µm. Para realizar a calibração destes padrões é necessário, portanto, padrões com alta precisão e baixa incerteza de medição. A resistência à abrasão dos calibradores é um requisito importante devido ao seu constante contato com as peças. Os calibradores são fabricados com aço endurecido por cementação, ou revestido de cromo duro, carboneto de tungstênio, etc.

2 Figura 1. Calibradores roscados Existem diversos tipos de calibradores de rosca, que se subdividem de acordo com o perfil. Como já mencionado existe a rosca métrica com ângulo entre filetes de 60 (foi o primeiro tipo industrial). Existem ainda outros perfis, como Whitworth, Dente de Serra, Quadrada e Trapezoidal. Dentre as roscas normalizadas utilizadas na construção de máquinas e uso geral, a de uma entrada, seção transversal triangular com ângulo entre flancos de 60º (rosca métrica) ou 55º (rosca Whitwoth), é a mais empregada nos parafusos de fixação (maior atrito), enquanto as demais servem aos parafusos de movimento. Uma característica interessante quanto à nomenclatura das roscas está relacionada ao diâmetro nominal que é o diâmetro externo da parte roscada do parafuso enquanto que apenas para as roscas whitworth para tubos o diâmetro nominal é o diâmetro interno da parte roscada do tubo (diâmetro da secção transversa livre do tubo) Tipos e Aplicações dos Calibradores Existem basicamente dois grupos de calibradores: fixos e ajustáveis. Os primeiros são exclusivamente empregados para a verificação de apenas uma determinada dimensão, o que implica em dispor-se de um número elevado de calibradores para atender às diversas medidas nominais com suas respectivas tolerâncias de fabricação. Os calibradores tipo tampão e anel se enquadram neste grupo Calibradores Cilíndricos Lisos Os calibradores tampões são utilizados para a verificação da dimensão de furos. Eles apresentam dois lados: um Passa e outro Não-Passa. Calibradores do tipo passa-não-passa são constituídos obedecendo ao princípio de Taylor. Este princípio diz: no lado bom deve-se ensaiar o casamento. Assim, por exemplo, o lado bom do calibrador para furos tem a forma de um eixo e tem de encaixar no furo. Com o lado ruim do calibrador deve-se testar se em nenhuma posição a dimensão especificada é ultrapassada. Em alguns calibradores de furos o lado refugo possui duas superfícies de contato pontuais, o calibrador não pode se encaixar em nenhuma posição no furo. Como pode ser observado, as tolerâncias de fabricação são bastante mais estreitas e deve-se prever o próprio desgaste no lado passa. Maiores detalhes podem ser observados nas normas NBR 9527/1991; DIN 7162, por exemplo Calibradores Cilíndricos Roscados Estes tipos de calibradores seguem as formas e dimensões padronizadas por normas como NBR 5876/2011 e ASME B2.1. São utilizados para verificar roscas a serem abertos em tubos, placas, bujões, válvulas e conexões, abrangendo as roscas destinadas a formar juntas estanques: Rosca externa cônica; Rosca interna cônica; Rosca externa cilíndrica; Rosca interna cilíndrica Parâmetros Importantes São 5 (cinco) os elementos principais que definem uma rosca cilíndrica: Diâmetro externo d, D; Diâmetro do núcleo d 1,D 1 ; Diâmetro de flancos d 2,D 2 ;

3 Passo p; Ângulo de flancos α, sendo os semi-ângulos de flancos α 1 e α Métodos de Medição dos Elementos de uma Rosca Figura 2. Elementos principais de uma rosca A medição de roscas é abordada tradicionalmente em medição de roscas externas (isto é, roscas tipo parafuso), e medição de roscas internas (tipo porca). Apesar de terem os métodos alguns procedimentos em comum, há bastante diferenças entre eles. Além disso, a medição de roscas internas é mais complexa e o número de métodos aplicáveis bastante reduzidos. Para realização da medição dos parâmetros dos calibradores roscados externos podem ser utilizados vários métodos como descrito a seguir: a) Medição do diâmetro externo. A medição do diâmetro externo de roscas por meios mecânicos não difere das medições externas de cilindros lisos. Essa medição pode ser feita utilizando um projetor de perfil, um micrômetro ou um paquímetro para medidas externas. b) Medição do ângulo do filete. A medição deste ângulo é muito importante uma vez que será utilizada para determinação do diâmetro do flanco da rosca. Para obtenção deste valor pode ser utilizado dois métodos, mecânico ou óptico Processo Mecânico de Medição de Ângulo Nesse método, utilizando arames com diâmetros conhecidos, medindo-se as distâncias L, como mostrado na figura 3, fica possível determinar o ângulo. Figura 3. Elementos principais de uma rosca (1) Processo de Medição de Ângulo Utilizando um Projetor de Perfil com Unidade de Processamento de Dados Esse método é realizado através da utilização de um equipamento como um projetor de perfil. Conforme mostrado na figura 4 toca-se dois pontos, a e b, e posteriormente c e d, gerando pelo sistema de processamento de dados duas retas, sendo possível encontrar o valor do ângulo entre retas. Esse método é o que foi utilizado na produção deste trabalho.

4 Figura 4. Determinação do ângulo utilizando um projetor de perfil com unidade de processamento de dados Medição do Passo Esta medição deve ser feita entre pelo menos cinco filetes, medindo, por exemplo, primeiro sobre o lado direito do flanco e em seguida sobre o lado esquerdo do flanco. Isto deve ser feito para, conforme já mencionado, minimizar qualquer possível erro de alinhamento. A medição do passo requer bastante atenção, pois no cálculo de incerteza o erro nessa medida é responsável por mais de 50% da incerteza combinada. Figura 5. Representação da rosca para medição do passo no lado direito do flanco Figura 6. Representação da rosca para medição do passo no lado esquerdo do flanco Esta forma de medir o passo é para minimizar o efeito de possível desalinhamento e da resolução óptica do projetor. Por isso a norma ABNT NBR 9527/1991 estabelece medir o passo entre pelo menos cinco filetes Medição do diâmetro de flancos A medição do diâmetro de flancos é uma das mais importantes, pois caracteriza a dimensão da rosca para atender os requisitos de projetos e de dimensionamento. A dificuldade dessa medição é que a determinação do diâmetro dos flancos de não é possível por comparação direta, de acordo com a definição, o diâmetro de flanco (antigamente denominado primitivo) é a distância medida perpendicularmente ao eixo da rosca na metade da altura do filete total teórico. Esta linha imaginária corresponde a terse a espessura do filete correspondendo a meio passo, ou ter-se o espaço entre flancos é igual à espessura do filete. Utilizar o diâmetro externo e do núcleo para a medição do diâmetro de flancos não é viável uma vez que a crista da rosca é truncada e o fundo do vale é, normalmente, arredondado, e assim estes dois diâmetros são apenas parâmetros secundários para a definição e funcionamento da rosca. A solução encontrada e geralmente adotada é servir-se de elementos geométricos auxiliares, como arames calibrados, cones, prismas, esferas, entre os filetes da rosca, para a medição do diâmetro de flancos.

5 Os métodos comumente utilizados são os que utilizam pontas intercambiáveis de instrumentos de medição a fim de determinar esse parâmetro, como mostrado na figura 7 ou a utilização do método dos três arames, como mostrado nas figuras 9 e 10 acompanhados do jogo de arames representado da figura 8. Figura 7. Posicionamento de um micrômetro com pontas cone-prima para realização da medição. Figura 8. Jogo de arames Figura 9. Equipamentos utilizados na medição

6 Figura 10. Princípio de medição O procedimento de medição de que trata o presente trabalho será baseado no método dos três arames. Os três arames acomodam-se nos respectivos filetes tocando os flancos. O diâmetro dos arames deve ser escolhido em função dos parâmetros da rosca a fim de que toquem o flanco próximo da linha média, e ao mesmo tempo a superfície cilíndrica deve ficar acima do diâmetro externo da rosca. A medição em si é rápida e exige equipamentos para medição linear (micrômetro para medidas externas, máquinas lineares de medição, ou dispositivos específicos ou dedicados), apenas os cálculos necessários não são triviais. Para facilitar ao usuário existem tabelas, gráficos para auxiliar na determinação do diâmetro de flanco efetivo, existem também softwares específicos para esta finalidade. Para se conseguir os melhores resultados, o diâmetro teórico dos arames a serem utilizados deve ser calculado a partir da fórmula seguinte: (2) Onde p é o passo da rosca e α/2, o semiângulo do filete. Arames com este diâmetro tocam o flanco exatamente na sua linha média, onde teoricamente deveria ser medido o diâmetro de flanco. Na prática, porém, isto implicaria em uma grande quantidade de arames (para diferentes passos e α/2 =30 e para α/2 =27,5 ). Por motivos econômicos, são usados jogos de arames com diâmetros normalizados, necessitando-se fazer correção matemática. O procedimento de seleção do arame é realizado pelo uso da equação descrita anteriormente. Escolhendo-se o arame de diâmetro normalizado mais próximo do valor calculado. Muito importante, para redução de erros sistemáticos durante o processo de medição, é utilizar os diâmetros efetivos de cada arame de medição, obtidos pela calibração dos mesmos, na equação de determinação do diâmetro de flancos. O valor do diâmetro de flanco pode ser deduzido a partir da medição sobre arames, admitindo-se estar medindo sobre uma esfera e não arame (ver fator de correção devido ao ângulo de hélice da rosca). Neste caso a partir da figura 11, podem-se deduzir as relações trigonométricas A, B. Figura 11. Aplicação do método de três arames

7 (3) Estas condições especiais de contato entre arames e flancos devem ser levadas em consideração pela correção C 1 a ser subtraída do resultado acima deduzido porque o arame fica para fora da posição ideal, o que faz com que o valor de M o seja maior do que o correto. (4) Na realidade não se mede com a força nula, de modo que ocorre o "erro por achatamento" (lei de Hooke), ou seja, os arames se deformam sob a força de medição e assim o resultado obtido é menor do que sem achatamento. O erro pode ser eliminado pela introdução de uma correção cujo valor para α = 60º, é: (5) O valor do diâmetro de flanco é calculado a partir de M 0 com os valores d D dos arames que constam do respectivo certificado. A fórmula para o cálculo do diâmetro de flanco efetivo é: (6) 2.6. Aplicando o Programa Após a medição dos parâmetros acima descritos são realizados os cálculos necessários para a obtenção do valor médio de cada grandeza geométrica do calibrador de rosca. Os resultados são obtidos inserindo nos campos apropriados os valores dos parâmetros medidos, isto é, o passo, em mm, e do semi-ângulo do filete, em graus, minutos e segundos, como mostrado abaixo. Tabela 1. Inserção dos parâmetros medidos

8 Tabela 2. Inserção dos demais parâmetros Retorno ao zero 1 2 M 0 M 0 Tabela 3. Obtenção do diâmetro e correções A etapa seguinte é o cálculo de incerteza de medição, que para o exemplo acima está descrito logo abaixo. Tabela 4 Valores para realização do cálculo de incerteza Padrão Média M 0 -(retorno ao zero) Incerteza do certificado/k Mensurando Diâmetro teórico Desvio padrão/raiz(n medidas - n) Semiângulo do filete Desvio padrão do semiângulo do filete (em minutos)/raiz(n) Passo Desvio padrão do passo/raiz(n) Resolução da máquina Resolução da Máquina/(qxraiz de 3) Reprodutibilidade (Máximo valor-mínimo valor)/raiz de3 Diâmetro do arame Incerteza do certificado do arame/k; ou desvio padrão do arame/raiz(n) Retorno a zero Retorno ao zero/raiz (3)

9 2.7. Conclusões Durante a realização deste trabalho foi possível entender a importante função das roscas e de seus parâmetros na indústria. Foi possível verificar a complexidade do processo de medição de alguns parâmetros como diâmetro efetivo, bem como as correções que devem ser efetuadas no processo, passo e ângulo de filete. Vale salientar que durante todo o processo de realização deste trabalho foi necessário refazer algumas vezes a calibração a fim de determinar a melhor forma de medição buscando minimizar erros no processo. 3. AGRADECIMENTOS Agradecemos aos funcionários do Laboratório de Metrologia da UFRN, em especial ao professor Walter Link e Luiz Pedro de Araújo pela orientação acadêmica efetuada. 4. REFERÊNCIAS Link, W., 2000, Tópicos Avançados da Metrologia Mecânica, Primeira edição, Ed. Mitutoyo Sul América Ltda. AGOSTINHO, O.L., Rodrigues, A.C.S, e Lirani, J., 1943, Tolerâncias, ajustes, desvios e análise de dimensões, Ed. Da Universidade de São Paulo, Norma ABNT NBR 5876/ Roscas Terminologia Norma ABNT NBR 9527/1991 Rosca Métrica ISO Procedimento Norma ABNT 261:2004 Roscas externas Norma ASME B2.1 : 1997 Roscas ACME Norma ASME B1.1 : 2003 Roscas Unificadas Norma DIN 13 Roscas Métricas Norma DIN 7162 Calibres de Rosca British Standard Pipe Taper, BS-21.

10 OPTIMIZATION OF CALIBRATION CALIBRATION CYLINDRICAL CAP THREADED CONEM Abstract. This paper presents a calibration procedure, which will be developed in the Laboratory of Metrology UFRN. For this study will be used equipment, such as: profile projector for analysis of the angle of the fillet; metroscópio horizontal as well as the set of wires standard for determining the effective diameter of the thread, very important parameter for the occurrence of good connection. With the optimization of calibration is possible that different users of the laboratory can perform the calibration properly, and minimization of errors. It is noteworthy that the threaded sizes are very important tools in the industry, used for example for checking threads in boilers and pressure vessels, so the search for an embodiment adequately performed. Keywords: procedure, calibration, thread