ESTADO DE TENSÃO DOS FILETES DA ROSCA DO OBTURADOR DE BAIONETA USADOS EM CÂMARAS HIDROSTÁTICAS PARA PRESSÕES DE ATÉ 100 MPa. Guerold S. Bobrovnitchii (1) & Alan Monteiro Ramalho (2) (1) Centro de Ciência e Tecnologia - Universidade Estadual Norte Fluminense guerold@uenf.br (2) Laboratório de Materiais Avançados Centro de Ciência e Tecnologia - Universidade Estadual Norte Fluminense. Trabalho apresentado no IEV2002 - Conferência Internacional sobre Evaluación de Integridad y Extensión de Vida de Equipos Salvador, agosto, 2002. As informações e opiniões contidas neste trabalho são de exclusiva responsabilidade dos autores
SINOPSE As câmaras hidrostáticas sem estrutura externa são utilizadas na indústria para a produção das peças compactadas em pó. Algumas construções utilizam os obturadores de baionetas para fechamento da câmara de compressão. Do comportamento da rosca sob carregamento depende tanto a segurança do trabalho quanto a possibilidade de automação do funcionamento. No presente trabalho foi feito um estudo experimental do estado de tensão dos filetes do obturador de baioneta da câmara de compressão para pressões de até 100 MPa com diâmetro interno de 420mm. Os strain gages foram colados nas bases dos filetes. O grande número de pontos de medição (70) garantiu a obtenção do perfil volumétrico da distribuição de tensões nos filetes. Os diagramas de tensões mostram que há um aumento de tensões no sentido dos filetes inferiores em direção aos filetes superiores, o que é contrário ao sentido da distribuição das tensões nas espiras convencionais. Neste estudo as tensões máximas para os filetes no recipiente e no obturador atingiram valores de 860 MPa e 920 MPa, respectivamente. 1 - Introdução: Os hidróstatos são utilizados para compactação das peças, ou tarugos, de pós de diversos variáveis [1]. As construções dos hidróstatos dependem da tecnologia de compactação, da forma, dos tamanhos das peças fabricadas e valor da pressão [2]. Há as construções que não utilizam estruturas para resistir a força gerada pela pressão no interior do recipiente, ou seja, a força axial é diretamente aplicada sobre o corpo rígido do recipiente [3, 4]. A transferência sempre é realizada pela rosca do batente, que é feita na tampa inferior e no obturador superior em forma da baioneta. As vantagens dos obturadores de baioneta consistem na possibilidade de mecanização simples da abertura-fechamento da câmara de compressão que permite realizar o processo tecnológico de compactação no ciclo semi-automático. A utilização do obturador de baioneta simplifica a construção e diminui os custos de consumo de metal [5, 6]. A tecnologia de fabricação dos obturadores é bastante simples e consiste na usinagem das roscas no recipiente e na tampa (obturador). Após isto a mecanização longitudinal das roscas produzirá os setores para a formação do número necessário dos segmentos de fechamento. Estes segmentos ficarão em contato entre si. Entretanto a elaboração da construção dos elementos mais carregados do hidróstato (os dispositivos de fechamento que garantem a hermetização do recipiente sob pressão até 1000MPa) está ligada com a complexidade da determinação analítica da sua capacidade de sustentação, através dos métodos da teoria da elasticidade, o que não é tão fácil de se aplicar para as espirais [7]. No presente trabalho foi estudado por métodos experimentais o estado de tensão dos filetes para obturador de baioneta de um hidróstato. 2. Parte Experimental. Foi estudado um hidróstato para compactação de composições a base de coque com diâmetro de 300mm e altura 800mm. A característica técnica da máquina é apresentada a seguir: - Diâmetro interno do recipiente: 450mm - Diâmetro externo do recipiente: 750mm - Comprimento do recipiente: 2200mm
- Comprimento da parte carregada do recipiente: 1300mm - Pressão aplicada: 100MPa - Força axial: 16MN O esquema do hidróstato é apresentado na figura 1. O obturador da baioneta e a tampa possuem rosca trapezoidal reta com comprimento, relacionado com a carga, de 300mm. A rosca foi feita de maneira especial (dimensões 500x32x45), com arredondamento da base dos filetes no corpo do recipiente para um de raio 4mm, com o objetivo de diminuir os concentradores de tensões. O recipiente, obturador e tampa inferior foram feitos de aço AISI-4340 com limite de escoamento σ es =1380MPa e limite de tenacidade σ 1 = 650MPa. O número de segmentos do obturador que são carregados durante o funcionamento é quatro. Para a determinação das tensões normais nas filetes da junção da rosca e revelação do aspecto da distribuição das tensões entre as mesmas, foi utilizado o método da extensometria elétrica. Extensômetros com base de 3mm foram colados em cada filete da rosca, figura 2. Um grande número de pontos de medição (80) garantiu a obtenção do estado das tensões nas filetes que, por sua vez, permitiu fazer uma análise profunda. No processo de estudo o hidróstato foi carregado 10 vezes para cada pressão de compactação: 67MPa e 85MPa e 100MPa.
Figura 1 Esquema da construção do hidrostato
Figura 2 Posição dos extensômetros nas filetes da baioneta da rosca do obturador (a) e da rosca do recipiente (b). 3. Resultados e Discussão. É necessário ressaltar que a influência significativa sobre a distribuição das tensões nas filetes é ligada com defeitos de fabricação da rosca e distribuição não uniforme da carga axial sobre cada um dos quatro segmentos da baioneta. Por essa razão, para a revelação da distribuição geral das tensões entre as filetes, foi necessário eliminar a influência dos defeitos citados. Para tal finalidade foi utilizado o método da média das tensões para cada espira, em conformidade com:
σin σ z = ; n Onde: σ z => Tensão média na espira; σ in => Valor experimental da tensão na espira i do elemento n ; n => Quantidade de pontos de medição que correspondem ao número de segmentos da baioneta; As tensões obtidas por este procedimento são mostradas na figura 3. σ Figura 3 Diagrama de distribuição das tensões nas filetes da baioneta da tampa e do recipiente, onde: => Tampa; o => recipiente; A análise dos dados experimentais mostra que o aspecto da distribuição das tensões entre as filetes da rosca diferencia-se do aspecto da distribuição das tensões obtidas nos trabalhos já publicados, onde o filete mais carregado fica no topo inferior do obturador. A particularidade característica do diagrama das tensões obtidas experimentalmente é o aumento destas na direção longitudinal das filetes, no sentido do inferior para as partes superiores. Isto pode ser explicado pela presença das deformações da parede do recipiente, se esta for considerada como uma viga sobre uma base elástica carregada numa determinada parte do comprimento. Como resultado desta deformação as forças redistribuíram-se entre as filetes de modo não uniforme provocando o aparecimento de tensões complementares nas filetes superiores. Evidentemente que essa redistribuição dos esforços causam diferentes diagramas de tensões para todas as construções dos hidrostatos. Pode ser notado que o valor das tensões dependerá das correlações das dimensões geométricas do recipiente, comprimento da parte carregada pela pressão e da quantidade de filetes na junta roscada. Um outro fator significativo que influencia a redistribuição das tensões é a diminuição da rigidez das filetes da baioneta em comparação com a junção comum de rosca. A diminuição da rigidez do obturador ocorre devido ao decréscimo da rigidez das filetes e
em razão da diminuição da rigidez do recipiente em função da presença na rosca das ranhuras longitudinais (estrias). Durante as pesquisas, além do problema de avaliação qualitativa do aspecto do estado de tensão na junção entre as roscas do recipiente e o obturador, houve também um grande interesse em representar a avaliação quantitativa das tensões que aparecem nos elementos da construção. Os níveis destas tensões determinam o coeficiente de segurança e, evidentemente, a capacidade do hidróstato. As tensões máximas foram registradas nas últimas filetes superiores do obturador. Sob a pressão máxima de 100MPa as grandezas das tensões atingiram o valor no recipiente de +920MPa e no obturador de +1010MPa. Coeficientes de segurança mínima em relação a tensão de 1380 escoamento foi de n esc = = 1, 37. 1010 4. Conclusões. Como resultado das pesquisas realizadas foram determinadas que: - O diagrama da distribuição das tensões nas filetes do obturador de baioneta caracterizam-se pelo aumento das tensões nas filetes na direção no sentido inferior para o superior; - A tensão máxima foi registrada nas últimas filetes superiores entre o obturador e o recipiente; - O valor máximo das tensões no recipiente foi de 920MPa e para o obturador foi de 1010MPa, sob pressão máxima de compactação; - A construção do hidróstato analisado pode funcionar sob pressão de 100MPa com sucesso; 5. Agradecimentos. O presente trabalho foi realizado graças ao apoio da FAPERJ (processo N E- 26/170.527/2001). 6. Referências Bibliográficas. [1] Powder Metal Techonologies and Aplications. ASM Handbook, 1988, V. 7. [2] Recent Trends in Gold and Warm Isostatic Pressing Equipament. MPR. 1987, N 9, pp. 614-618. [3] Winship J. T., Upsurge in Isostatic Special Report. American Machinist. 1984, april, pp. 199-114. [4] Tsydzuki K., Os Equipamentos Modernos para Compactação Hidrostática a Frio e a Quente. Tokuciuko. 1983, V.32, N 6, pp. 11-20 (Japão). [5] Somers W., Presses Iorward With Isostatic Pressing. MPR. 1988, N 8, p.127. [6] Isostatic Press Line. CIP Isostatic Technology. Catalogo da Firma Dieffenbacher, 1984. [7] SIMAC Bangs the Drum for Drybag Pressing. MPR., 1987, N 9, pp. 619-622.