UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS - CCT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
CARACTERIZAÇÃO DE COMPONENTE
Filipe da Rocha Renato Kieper Willian Speck Materiais Metálicos I – Prof. Prof. André Olah Neto
JOINVILLE Outubro/2014 SUMÁRIO
INTRODUÇÃO.......................................... ................................................................. ............................................. ............................................ .......................... .... 4 O PARAFUSO ........................................... .................................................................. ............................................. ............................................ .......................... .... 4 História do Parafuso .................................. ........................................................ ............................................ ......................................... ................... 4 PARTES DO PARAFUSO ................................................. ....................................................................... ..................................... ............... 6 Parafuso em Tração ...................................... ............................................................ ............................................. ...................................... ............... 8 Vantages ligações parafusadas .................................... .......................................................... ............................................ ........................ 9 Parafuso sem porca .......................................... ................................................................ ............................................ .................................. ............ 9 Parafuso com porca ..................................................... ........................................................................... ......................................... ...................10 0 Parafusos com sextavado interno ........................................... .................................................................. .............................. .......10 0 Parafuso prisioneiro ......................................... ............................................................... ............................................ .............................. ........ 10 0 Parafuso Allen ........................................... ................................................................. ............................................ ....................................... ................. 11 Parafuso de fundação farpado ou dentado ........................................................... ...............................................................11 Parafuso auto-atarraxante....................................................... ............................................................................. ................................ .......... 12 Parafusos com rosca soberba para madeira........................................... ............................................................ ................. 12 Parafuso para pequenas montagens............................................ ................................................................... ............................ ..... 12 TIPOS DE PORCAS ............................................................ .................................................................................. ........................................... ..................... 12 Porca castelo................................... castelo......................................................... ............................................ ............................................. ............................ ..... 13 Porca cega (ou remate) .......................... ................................................ ............................................ ........................................... ..................... 13 Porca borboleta.................................. borboleta........................................................ ............................................. .............................................. ......................... 13 Contraporcas ............................................. ................................................................... ............................................ ....................................... ................. 13 MATERIAIS PARA PARAFUSOS............................................. ................................................................... ................................... ............. 13 PROPRIEDADES DOS PARAFUSOS ..................................................... .......................................................................... ..................... 13 Corrosão atmosférica ........................................... ................................................................. ............................................ ............................ ...... 14 Corrosão por contato (galvânica) ............................ ................................................... .............................................. ......................... 14 Corrosão intercristalina ........................................... .................................................................. ............................................. .......................... 14 Corrosão superficial ......................................... ............................................................... ............................................ ................................ .......... 15 Corrosão entre camadas ......................................................... ............................................................................... ................................ .......... 15 2
Corrosão por tensão (transcristalina) ..................................................................... 15 Propriedades magnéticas ................................................................................................. 15 Propriedades e características necessárias do material .................................................... 15 SERIAÇÃO DO PROCESSO DE PRODUÇÃO ............................................................16 CONFORMAÇÃO MECÂNICA DO PARAFUSO .....................................................166 Descrição das etapas do processo de fabricação do parafuso..........................................17 USINAGEM....................................................................................................................18 Cementação..........................................................................................................18 TRATAMENTO TERMOQUIMICO DE PARAFUSOS ………………………………………19
Tratamento térmico de tempera e revenido feito após a fabricação do parafuso ............ 20 TÊMPERA ............................................................................................................. 20 REVENIMENTO ................................................................................................... 22 Patentes e normas que envolvem o processo de fabricação do parafuso ……….............23 BIBLIOGRAFIA ………………………………………………………………………25 ANEXOS ………………………………………………………………………………26
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INTRODUÇÃO Parafusos e porcas são peças metálicas de muita importância na fixação dos mais diversos elementos de máquina, por sua simplicidade e facilidade de uso. Por sua importância, a especificação completa de um parafuso e sua porca englobam os mesmos itens cobertos pelo projeto de um elemento de máquina, ou seja: material, tratamento térmico, dimensionamento, tolerâncias, afastamentos e acabamento. Mecanicamente o parafuso é um órgão que tem por por fim transformar um movimento de rotação em torno do seu eixo num movimento de translação segundo esse eixo. O sistema parafuso é formado por duas peças que se moldam perfeitamente uma na outra: o parafuso propriamente dito, e a porca. Permitem, também, movimento de peças.
O PARAFUSO Para começar a falar sobre o parafuso será falado um pouco de onde esse componente tão utilizado nas máquinas e no cotidiano vem e qual sua trajetória até os dias de hoje. História do Parafuso O parafuso rosqueado data do século XV, porém documentos mostram que parafusos nãorosqueados serviram na época romana como pivôs para portas e como cunha de barras com furo para impredir o movimento. Os romanos parecem terem desenvolvido os primeiros pregos para madeira, feitos de bronze e até prata, sua rosca era afiada a mão ou consistia de um fio enrolado em volta de uma haste e soldado. Aparentemente esta invenção desapareceu com o império romano, já que o primeiro documento impresso de parafusos consta num livro do começo do século XV. Ainda no século XV Johann Gutenberg (inventor da máquina de impressão) incluiu parafusos entre os fixadores da sua impressora. No final do século XV e inicio do XVI os cadernos de Leonardo Da Vinci possuem vários desenhos de máquinas cortadoras de parafusos para sua fabricação. Mas a primeira máquina criada para este propósito foi inventada em 1568 por Jacques Besson, um matemático francês. Pelo fim do século XVII os parafusos já eram componentes comuns nas armas de fogo. Mesmo o parafuso sendo tá antigo, a primeira referência impressa que se tem sobre a porca rosqueada é do final do século XVI e começo do século XVII. Assim como os primeiros parafusos, as primeiras porcas eram feitas a mão, sendo extremamente grosseiras. Um livro de 1611 menciona “A porca para um parafuso”. Para a rosca da porca combinar com
a do parafuso era uma questão de sorte, quando dava certo a porca e o parafuso eram deixados juntos até serem instalados numa máquina ou numa construção. Pode-se supor que foi só com a revolução industrial que as porcas e parafusos tornaram-se comuns entre os fixadores. Se numa época tão abrangente pode ter havido “um início”, este foi com a invenção da máquina a vapor
em 1765 por James Watt. Ficou claro aos fabricantes de máquinas na época que fixadores rosqueados eram cruciais para um eficiente desempenho mecânico, para fácil montagem e para assegurar operações de maior responsabilidade. Várias invenções bem conhecidas da época dependiam extensivamente de fixadores rosqueados, entre elas estavam a máquina de tecer de James Hargreaves e o descaroçador de algodão de Eli Whitney. Em 1801 numa apresentação a um grupo de oficiais em Washighton, entre eles o presidente e o vice Jefferson, Whitney mostrou o caminho para o próximo conceito fundamental, a intercambialidade das partes. Ele empilhou várias partes idênticas que constituíam uma mosqueta e pegando uma peça de cada pilha montou rapidamente uma mosqueta completa. 4
A falta de uniformidade do rosqueamento de porcas e parafusos era um problema que persistiu até o século XIX. A técnica padrão para formar roscas largas era a colocação de uma matriz ou de um instrumento de corte contra um parafuso quente sem rosca. Roscas menores eram cortadas por um torno mais primitivo. Geralmente o instrumento cortante tinha que ser mantido manualmente contra o blank (parafuso ainda sem rosca) pelo operador, o que causava pouca repetibilidade nas dimensões das peças no processo. O torno mecânico foi sendo aperfeiçoado com deslizadores e com conjuntos de engrenagens de tal forma que a rosca do parafuso de chumbo podia ser reproduzida com boa acuracidade. Mas ainda não havia um sistema para adequar o número de fios de rosca com o diâmetro do parafuso. Nasmyth declarava que: “ todos os parafusos e suas porcas correspondentes precisam
ser marcados como pertencentes um ao outro. Qualquer mistura traz grandes complicações e despesas, como também ineficiência e confusão, especialmente quando partes de uma máquina complexa precisam ser desmontadas para conserto”.
O inventor inglês Henry Maudeslay alterou essa situação, quando ele construiu o primeiro equipamento no qual permitia o operador produzir parafusos com qualquer passo e diâmetro. Em seu trabalho de cinco volumes Charles Holtzapffel escreveu, em 1850, sobre Maudslay e a manipulação mecânica entre 1780 e 1810, onde disse: “Efetuou uma mudan ça quase total do antigo e imperfeito sistema de produzir parafusos para um modo moderno exato e científico, agora generalizado entre os engenheiros”.
Os equipamentos de corte para fabricação da rosca de parafuso serviram por vários anos como método principal na produção de fixadores rosqueados. Atualmente é mais utilizado a técnica de conformação das roscas, aonde mantendo as matrizes rosqueadas contra o blank, gira-se este último com um movimento de “vai -e-vem” das matrizes. A principal diferença é que o torno remove material durante o corte, enquanto as matrizes rosquedas formatam a superfície sem perdas de material. Pela metade do século XIV, Willian Ward, desenvolveu melhorias para a máquina forjamento, permitindo o forjamento a quente de porcas e parafusos (Anexos 1 e 2). Mais tarde desenvolveu também para forjamento a frio de roscas re parafuso (Anexo 3). A capacidade de fazer roscas uniformes não foi o suficiente para garantir a uniformidade, haja vista que cada fabricante preferia ter seu próprio padrão. O primeiro passo no sentido de criar padrões foi na Inglaterra em 1841, quando Joseph Whitworth apresentou ao instituto dos engenheiros civis seu trabalho entitulado: “Um sist ema uniforme de roscas de parafusos”.
Sua proposta era que para parafusos de certas dimensões as roscas deveriam ser iguais em passo, profundidade e forma. Ele recomendou um ângulo de 55° entre um lado do fio de rosca e outro. O número de fios por polegada deveria ser especificado para cada diâmetro de parafuso e a rosca deveria ser arredondada na crista e no vale em 1/6 de profundidade. Em 1881 o sistema de Whitworth já tinha sido adotado como padrão britânico. Nos Estados Unidos, William Sellers um montador de ferramentas de máquinas na Filadélfia foi quem começou o movimento para padronização em 1864. Ele persuadiu o instituto Franklin daquela cidade a reunir um comitê que procuraria estabelecer padrões nacionais, dizendo que o ângulo de corte de 55° era difícil de aferir, argumentava que 60° era o ideal e que resultaria em roscas mais resistentes. Ele também achava que o padrão de arredondamento da rosca de Whitworth resultava num encaixe incerto entre parafuso e porca, então ele propôs roscas com cristas e vales planos. O instituto Franklin acabou por adotar o sistema de Sellers recomendando-o como padrão nacional onde roscas de parafusos devem ser feitos de lados planos com ângulo entre eles de 60°, tendo uma superfície plana no topo e no fundo igual a 1/8 do passo. Pelo fim do século o sistema de Sellers já era padrão para os EUA e boa parte da Europa. 5
Na 1ª e 2ª guerras mundiais, a incompatibilidade dos sistemas Whitworth e Sellers trouxe dificuldades, quando forças americanas e britânicas precisavam de peças intercambiáveis. Desde 1918 até 1948 os dois países estudaram uma forma para reconciliar os sistemas. Numa conferência em Washington em 1948, os EUA, Canadá e Grã-Bretanha adotaram o sistema unificado que incorpora aspectos do sistema Whitworth e Sellers. O papel principal na padronização das roscas de parafusos em polegada foi do instituto industrial de fixadores, constituído pelos maiores produtores de fixadores da américa do norte. A organização internacional de padronização (ISO) iniciou um trabalho, no mesmo ano, para estabelecer um sistema padrão de rosca de parafuso que pudesse ser aplicado mundialmente. Ao término do trabalho em 1964, este foi adotado numa conferência internacional em Nova Deli, no qual consistia em dois sistemas: o sistema ISO polegada ( ISO inch screw thread system) o mesmo que o sistema unificado e o sistema ISO métrico ( ISO metric screw thread system), que era uma nova fórmula para substituir os diversos sistemas métricos nacionais. Em 1970 o instituto de fixadores industriais recomendou que um sistema métrico aperfeiçoado fosse desenvolvido, com base no argumento de que os fixadores feitos de acordo om o sistema métrico eram inferiores aos feitos de acordo com a norma ISO polegada. Em 1971 o grupo propôs o sistema métrico ótimo (optimum metric fastener system). Entre outras coisas, o sistema previa um perfil baseado no formato que tornou-se padrão para fixadores aeroespaciais e fixadores com melhor resistência à fadiga. A proposta levou a um sistema similar que agora é o padrão métrico internacional: o sistema ANSI/ISO (ANSI: American National Standards Institute). Várias outras organizações se preocuparam com padrões de fixadores, frequentemente especificando quais são os fixadores mais apropriados para uma determinada industria. Nos EUA essas organizações incluem a American National Society for Testing and Materials (ASTM), a American National Standards Institute (ANSI), a Society of Automotive Engineers (SAE), etc. Tomados em conjunto, suas atividades incluem por volta de 8000 padrões para fixadores, que cobrem assuntos como: material, configuração, dimensões, tolerâncias e características mecânicas. Se forem incluídos os fixadores especiais, os diversos acabamentos e revestimentos superficiais junto de todas as combinações de diâmetros e comprimentos, o total de itens na área de fixadores supera os dois milhões.
Partes do parafuso Tendo posto sua origem será colocado agora os itens que constituem um parafuso. Na figura 1, vêe-se a nomenclatura das partes da rosca de um parafuso
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Figura 1 - Partes da rosca de um parafuso triângular.
Fonte: Shigley (2005, p.386)
A figura 2 remete a alguns tipos de roscas de parafusos. Cada rosca tem uma indicação de aplicação específica, conforme a solicitação dos esforços.
Figura 2 - Roscas de parafuso
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Parafuso em Tração Considerando que o que ocorre quando uma carga externa P de tração, é aplicada a uma conexão de parafuso e porca. Deve-se assumir, naturalmente, que a força de engaste, a qual chamaremos de pré-carga Fi, foi corretamente aplicada apertando-se a porca antes de que P fosse aplicada. A nomenclatura empregada é a seguinte:
Fi = pré-carga ou pré-tensão. P = carga externa de tração.
O objectivo da pré-tensão é: • Evitar que a união se separe por aplicação de uma f orça normal exterior, P. • Evitar deslocamento relativo das peças ligadas, através da criação duma força de atrito
suficiente (entre as peças). Em termos de pré-tensão, um fator de extrema importância é conhecer o diagrama de tensão – deformação para materiais de parafusos e porcas mostrando a resistência à prova Sp, a resistência ao escoamento Sy e a resistência a tração Sut. Figura 3 - Gráfico Tensão X Deformação
Parafusos de porca de boa qualidade podem ser pré-carregados dentro do intervalo plástico, de modo a desenvolver uma maior resistência. Parte do torque de parafuso de porca utilizado no aperto produz torção, que por sua vez aumenta a tensão principal de tração. Contudo, essa torção é mantida apenas pela fricção da cabeça do parafuso de porca e da porca; com o tempo, ela relaxa e diminui a tração do parafuso. Sendo assim um parafuso de porca irá ou não sofrer fratura durante o aperto.
Fusos – Parafusos especiais. Não são órgãos de ligação mas sim mecanismos quetransformam movimento circular em retilíneo. Objetivo – Determinar a força necessária parasubir ou descer a carga. 8
Vantagens ligações parafusadas
Permitem montagens mais rápidas e de inspeção fácil;
Permitem desmontagens para alteração e reparo;
Boa resposta à fadiga;
TIPOS DE PARAFUSOS
Os parafusos podem ser:
Sem porca
Com porca
Parafusos com sextavado interno
Prisioneiro
Allen
De fundação farpado ou dentado
Auto-atarraxante
Parafusos com rosca soberba para madeira
Para pequenas montagens
Parafuso sem porca Nos casos onde não há espaço para acomodar uma porca, esta pode ser substituída por um furo com rosca em uma das peças. A união dá-se através da passagem do parafuso por um furo passante na primeira peça e rosqueamento no furo com rosca da segunda peça. Em geral, esse tipo de parafuso é utilizado em uniões em que se necessita de um forte aperto da chave de boca ou estria. Figura 4 - Esquema de uma fixação de parafuso sem porca
Fonte: < http://www.metalica.com.br/artigos-tecnicos/parafusos >
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Parafuso com porca Às vezes, a união entre as peças é feita com o auxílio de porcas e arruelas. Nesse caso, o parafuso com porca é chamado passante. Figura 5 - Esquemas de parafusos fixados com porca
Fonte: < http://www.metalica.com.br/artigos-tecnicos/parafusos >
Parafusos com sextavado interno De cabeça cilíndrica com sextavado interno (Allen). Em desenho técnico, este tipo de parafuso é representado na seguinte forma:
Figura 6 - Parafuso cilindrico com sextavado interno
Fonte: < http://andorinhaparafusos.com.br/produto/parafuso-allen-cabeca-cilindrica/ >
Este tipo de parafuso é utilizado em uniões que exigem um bom aperto, em locais onde o manuseio de ferramentas é difícil devido à falta de espaço. Esses parafusos são fabricados em aço e tratados termicamente para aumentar sua resistência à torção.
Parafuso prisioneiro O parafuso prisioneiro é empregado quando se necessita montar e desmontar parafuso sem porca a intervalos freqüentes. Consiste numa barra de seção circular com roscas nas duas extremidades. Essas roscas podem ter sentido oposto. Para usar o parafuso prisioneiro, introduzse uma das pontas no furo roscado da peça e, com auxílio de uma ferramenta especial, aperta-se essa peça. Em seguida aperta-se a segunda peça com uma porca e arruelas presas à extremidade livre do prisioneiro. Este permanece no lugar quando as peças são desmontadas. 10
Figura 7 - Parafuso prisioneiro
Fonte: < http://andorinhaparafusos.com.br/produto/parafuso-allen-cabeca-cilindrica/ >
Parafuso Allen O parafuso Allen é fabricado com aço de alta resistência à tração e submetido a um tratamento térmico após a conformação. Possui um furo hexagonal de aperto na cabeça, que é geralmente cilíndrica e recartilhada. Para o aperto, utiliza-se uma chave especial: a chave Allen. Os parafusos Allen são utilizados sem porcas e suas cabeças são encaixadas num rebaixo na peça fixada, para melhor acabamento. E também por necessidade de redução de espaço entre peças com movimento relativo. Figura 8 - Parafuso Allen
Fonte: < http://www.essentracomponents.com.br/parafuso-com-cabeca-allen>
Parafuso de fundação farpado ou dentado Os parafusos de fundação farpados ou dentados são feitos de aço ou ferro e são utilizados para prender máquinas ou equipamentos ao concreto ou à alvenaria. Têm a cabeça trapezoidal delgada e áspera que, envolvida pelo concreto, assegura uma excelente fixação. Seu corpo é arredondado e com dentes, os quais têm a função de melhorar a aderência do parafuso ao concreto. 11
Parafuso auto-atarraxante O parafuso auto-atarraxante tem rosca de passo largo em um corpo cônico e é fabricado em aço temperado. Pode ter ponta ou não e, às vezes, possui entalhes longitudinais com a função de cortar a rosca à maneira de uma tarraxa. As cabeças têm formato redondo, em latão ou chanfradas e apresentam fendas simples ou em cruz (tipo Phillips). Esse tipo de parafuso elimina a necessidade de um furo roscado ou de uma porca, pois corta a rosca no material a que é preso. Sua utilização principal é na montagem de peças feitas de folhas de metal de pequena espessura, peças fundidas macias e plásticas. Esse tipo de parafuso é muito empregado em montagens que não sofrem grandes esforços e onde a cabeça do parafuso não pode exceder a superfície da peça.
Parafusos com rosca soberba para madeira São vários os tipos de parafusos para madeira. Apresentamos, em seguida, os diferentes tipos e os cálculos para dimensionamento dos detalhes da cabeça. Esse tipo de parafuso também é utilizado com auxílio de buchas plásticas. O conjunto, parafuso bucha é aplicado na fixação de elementos em bases de alvenaria. Quanto à escolha do tipo de cabeça a ser utilizado, leva-se em consideração a natureza da união a ser feita. São fabricados em aço e tratados superficialmente para evitar efeitos oxidantes de agentes naturais.
Parafuso para pequenas montagens Parafusos para pequenas montagens apresentam vários tipos de roscas e cabeças e são utilizados para metal, madeira e plásticos. Dentre esses parafusos, os utilizados para madeira apresentam roscas especiais.
TIPOS DE PORCAS São os seguintes os tipos de porcas:
Castelo
Cega (ou remate)
Borboleta
Contraporcas
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Porca castelo A porca castelo é uma porca hexagonal com seis entalhes radiais, coincidentes dois a dois, que se alinham com um furo no parafuso, de modo que uma cupilha possa ser passada para travar a porca.
Porca cega (ou remate) Nesse tipo de porca, uma das extremidades do furo rosqueado é encoberta, ocultando a ponta do parafuso. A porca cega pode ser feita de aço ou latão, é geralmente cromada e possibilita um acabamento de boa aparência.
Porca borboleta A porca borboleta tem saliências parecidas com asas para proporcionar o aperto manual. Geralmente fabricada em aço ou latão, esse tipo de porca é empregado quando a montagem e a desmontagem das peças são necessárias e freqüentes.
Contraporcas As porcas sujeitas a cargas de impacto e vibração apresentam tendência a afrouxar, o que pode causar danos às máquinas. Um dos meios de travar uma porca é através do aperto de outra porca contra a primeira. Por medida de economia utiliza-se uma porca mais fina, e para sua travação são necessárias duas chaves de boca. Veja figura a seguir.
MATERIAIS PARA PARAFUSOS Os parafusos são fabricados em aço, aço inoxidável ou ligas de cobre e, mais raramente, de outros metais. O material, além de satisfazer as condições de resistência, deve também apresentar propriedades compatíveis com o processo defabricação, que pode ser a usinagem em tornos e roscadeiras ou por conformaçãocomo forjamento ou laminação (roscas roladas).A norma ABNT - EB - 168 estabelece as características mecânicas e asprescrições de ensaio de parafuso e pecas roscadas similares, com rosca ISO dediâmetro ate 39mm, de qualquer forma geométrica e de aço-carbono ou aço liga.Agrupa os parafusos em classes de propriedades mecânicas, levando emconsideração os valores de resistência a tração, da tensão de escoamento e doalongamento. Cada classe é designada por dois números separados por um ponto.O primeiro número corresponde a um décimo do valor em kgf/mm², do limitede resistência a tração mínima exigida na classe e o segundo número corresponde aum décimo da relação percentual entre a tensão de escoamento e a de resistência atração, sendo estes os valores mínimos exigidos.
PROPRIEDADES DOS PARAFUSOS As especificações a seguir se aplicam a porcas e parafusos em aço inoxidável austenítico, com diâmetros de rosca de 1.6 a 39 mm inclusive. O grupo de aço inoxidável austenítico é o mais utilizado para fixadores e é dividido em três tipos, cada qual com diferentes resistências à corrosão e com um específico campo de aplicação. 13
A1 - Material de corte livre, com superior usinabilidade devido a altas porcentagens de fósforo e enxofre. Como consequência, entretanto, a resistência à corrosão é diminuída. Este tipo de aço inoxidável é raramente usado para produção em massa de fixadores. A2 - É o material mais comum utilizado, também conhecido como aço 18/8 (18% Cr, 8% Ni). Possui uma excepcional resistência à corrosão, sob condições atmosféricas normais, em ambientes úmidos, na presença de ácidos orgânicos e oxidantes e na maioria das soluções alcalinas. A4 - É o aço inoxidável de maior resistência à corrosão, devido ao aumento do teor de níquel e a adição de molibdênio. Tem excelente resistência à corrosão em ambientes agressivos tais como ambientes marinhos (cloretos), industriais (dióxido de enxofre), ácidos oxidantes e locais aonde a corrosão superficial pode ocorrer. A não ser que haja especificação em contrário, os aços inoxidáveis austeníticos devem ser brilhantes e limpos. Para melhor resistência à corrosão, a passivação do material é recomendada.
Corrosão atmosférica Este tipo de corrosão é ocasionado por ataque químico da atmosfera ou ambiente agressivo, e é definido comumente como a perda de material superficial em mm/ano. O ataque ocorre gradualmente e na maioria das vezes é visível e verificável. Não ocorre colapso repentino e portanto, este tipo de corrosão não é perigoso. Geralmente o aço inoxidável A2 é bastante satisfatório neste caso, embora para condições mais agressivas, ser recomendado o tipo A4.
Corrosão por contato (galvânica) Quando dois metais, na presença de um eletrólito, criam uma diferença de potencial elétrico, ocorre uma ação galvânica que leva o material menos nobre (anodo) a se corroer e sacrificar-se para proteger o material mais nobre (catodo). Quanto maior for a diferença de potencial elétrico e maior for à área de contato do material nobre em relação ao material menos nobre, mais severamente o material menos nobre (anodo) será atacado. Aços inoxidáveis austeníticos passivados são considerados relativamente materiais nobres, ao mesmo tempo que os fixadores tem comparativamente uma pequena superfície em relação ao equipamento em construção.
Corrosão intercristalina Aços inoxidáveis austeníticos da série A2 e A4 não devem mostrar carbetos de cromo entre 400 oC e 800 oC, o que causará o ataque do material nos contornos dos grãos. Isto é conseguido escolhendo-se o tipo correto de material, como por exemplo, um baixo teor de carbono, ou a adição de elementos estabilizadores como o nióbio e o titânio. Para fixadores a primeira opção é a mais utilizada.
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Corrosão superficial Porosidades localizadas, crescendo rápida e profundamente no material permitem que o produto seja atacado severa e repentinamente. Este tipo de corrosão acontece especialmente em ambientes halógenos (cloretos), tal como clima marinho e águas salinas. Nestes casos o material A4 oferece uma melhor resistência à corrosão superficial, devido ao teor de molibdênio.
Corrosão entre camadas Na presença de ambiente aquoso, poderá ocorrer a corrosão entre camadas, como por exemplo, sob material sedimentado ou sob camada de pintura, pois não existe suficiente oxigênio para restaurar a passivação do aço inoxidável.
Corrosão por tensão (transcristalina) Em atmosferas onde se verificam a presença de cloretos, podem ocorrer fissuras entre os cristais do material, no momento em que as peças são expostas a tensões internas e externas. Este fenômeno raramente acontece na deformação a frio de fixadores.
Propriedades magnéticas Aços inoxidáveis austeníticos são normalmente não magnéticos. A escolha certa do material manterá o limite de permeabilidade (taxa de penetração num campo magnético) abaixo de 1.05G/Oe. Entretanto, após a deformação a frio do aço inoxidável austenítico, alguma possibilidade de magnetização pode se evidenciar, devido à chamada martensita induzida. Neste aspecto o material A4 é menos susceptível do que o material A2 que por sua vez, é menos susceptível que o material A1. Para algumas aplicações específicas, como em equipamentos nucleares, tipos especiais de material não magnetizável devem ser usados, pois requerem uma permeabilidade o mais próximo possível de 1.0 G/Oe.
Propriedades e características necessárias do material Os parafusos são geralmente fabricados em aço de baixo e médio teor de carbono, por meio de forjamento ou usinagem. Os parafusos forjados são opacos e os usinados brilhantes. As roscas podem ser cortadas ou laminadas. Como propriedades e características desejadas do material, podem ser citadas:
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Boa conformabilidade: no caso de parafusos conformados deve-se atentar para
que o material possa se deformar sem que ocorra a ruptura, ou seja, deve ter um campo elástico reduzido e um campo plástico grande;
Resistência à corrosão e ao tempo;
Elevada resistência à tração e compressão;
Em alguns casos, isolamento elétrico;
Elevada Rigidez;
Boa usinabilidade: no caso de parafusos fabricados através da usinagem.
SERIAÇÃO DO PROCESSO DE PRODUÇÃO Como os pafusos em geral são baratos e usados em larga quantidade, é necessário um processo que envolva uma alta seriação para que se tenha uma produção em larga escala. Isso é possível devido ao emprego de maquinário de alta tecnologia e escolha correta do material a ser utilizado, visando atingir as exigências de desempenho com um custo resuzido no produto final.
CONFORMAÇÃO MECÂNICA DO PARAFUSO O principal método de fabricação do parafuso é a conformação, um processo mecânico onde se obtém peças através da compressão de metais sólidos em moldes, utilizando a deformação plástica da matéria-prima para o preenchimento das cavidades dos moldes. Tal processo pode ser executado com pré-aquecimento da matéria prima,de maneira a facilitar o processo ou para modificar características mecânicas da peça final. Quando o pre-aquecimento é utilizado, tem-se menor gasto de energia no processo de conformação (maior produtividade) e torna-se desnecessário um tratamento térmico posterior, pois esse tipo de conformação é feito com temperaturas acima do ponto crítico do diagrama ferro-carbono, onde a estrutura se recristaliza simultaneamente à deformação sofrida. Na conformação a frio (figura 1), tem-se a vantagem de um melhor acabamento final na peça e o material da peça fica encruado (seus cristais são internamente deformados). Essa característica ajuda a aumentar a resistência mecânica e a dureza, embora diminua a ductibilidade, propriedade física dos materiais relacionada a suportar deformação plástica e tensões residuais que, muitas vezes poderão levar à ruptura da peça. O número dos diferentes processos de conformação mecânica, desenvolvidos para aplicações específicas, atinge atualmente algumas centenas. Não obstante, é possível classificálos num pequeno número de categorias com base em critérios tais como o propósito da deformação. Basicamente, os processos de conformação mecânica a frio para a fabricação de parafusos podem ser classificados em: Forjamento: conformação por esforços compressivos tendendo a fazer o material assumir o contorno da ferramenta conformadora, chamada matriz ou estampo. Extrusão: processo em que a peça é empurrada contra a matriz conformadora, com redução da sua seção transversal. A parte não extrudada fica contida num recipiente ou cilindro (container); o produto pode ser uma barra, perfil ou tubo.
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O forjamento a frio é o processo geralmente utilizado para peças pequenas como parafuso, porcas, etc. Os equipamentos comumente empregados para o forjamento de peças pertencem a duas classes principais : 1. Martelos de forja, que deformam o metal através de rápidos golpes de impacto na superfície do mesmo; 2. Prensas, que deformam o metal submetendo-o a uma compressão contínua com velocidade relativamente baixa. Na fabricação de parafusos geralmente se utiliza a matriz fechada. Neste caso o material é conformado entre as duas metades da matriz, que possuem, gravadas em baixo-relevo, impressões com o formato que se deseja fornecer à peça. A deformação ocorre sob alta pressão em uma cavidade fechada ou semifechada, permitindo assim obter-se peças com tolerâncias dimensionais menores do que no forjamento livre. As matrizes são providas de uma zona oca especial para recolher o material excedente ao término do preenchimento da cavidade principal. No caso da cavidade ser totalmente fechada, deve-se tomar cuidado com relação a quantidade de material fornecido, se for insuficiente haverá falha no volume da peça, se for em excesso ocorrerá uma sobrecarga no ferramental com probabilidades de danos a peça e ao maquinário. O que normalmente se faz é colocar um pequeno excesso, o que gera uma rebarba que é removida com corte. O processo de forjamento a frio empregado na fabricação de parafusos envolve, de maneira geral, as seguintes etapas: - Corte por cisalhamento; - Posicionamento do material na ferramenta (conjunto matriz-prensa-extrator de material); - Forjamento a frio da cabeça; - Laminação da rosca.
Descrição das etapas do processo de fabricação do parafuso As matérias primas mais usadas na fabricação são arames de aço carbono, aço inoxidável, latão, cobre, alumínio, calibrados por trefilagem a frio acondicionados em forma de bobina. As fases do processo de fabricação são: 1ª Fase: Formação de rebite, peça de forma cilíndrica com cabeça em uma das extremidades. Para a execução dessa peça, o arame é endireitado, cortado e pressionado axialmente para a formação de cabeça. Essa seqüência é realizada a frio em prensa especial automática com cadência de centenas de peças por minuto. 2ª Fase: Formação de fenda, rasgo cortado transversalmente na cabeça para permitir montagem do parafuso, com auxilio de chave adequada. Para a execução dessa fase, as peças procedentes da fase anterior são alimentadas em máquinas que cortam com fresas circulares e fenda, com profundidade e largura estabelecidas. A seqüência de operações, posicionamento, transporte, corte, retiradas e rebarbas é realizada automaticamente pela máquina. 3ª Fase: Formação de rosca, executada por processo de conformação a frio, rolagem da haste cilíndrica do rebite, sob pressão radial, entre duas matrizes que possuem, nas faces, traçados os perfis desejados para a rosca. A seqüência de operações é realizada automaticamente pela máquina. 4ª Fase: Tratamento térmico, executado para atender exigências de resistência mecânica dos parafusos. Para que sejam alcançados os resultados desejados, os parafusos devem apresentar alta dureza na superfície da rosca aliada à relativa ductilidade do núcleo. Essa combinação é conseguida através do enriquecimento do teor de carbono (cementação seguida de têmpera e revenido) na superfície do aço, realizado em fornos com aquecimento elétrico e ciclo automático contínuo. 5ª Fase: Tratamento galvânico: tem por objetivo depositar na superfície externa do parafuso uma fina camada de metal destinada a protegê-lo da corrosão e/ou obter efeitos decorativos. A utilização do zinco como metal depositado é mais usual, já que propicia obtenção de alta resistência à corrosão e amplas possibilidades de coloração a baixo custo. O tratamento completo é realizado em equipamento especial automático,
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programável, executando todas as operações de limpeza, desengraxe e decapagem, lavagens e eletro-deposição do zinco. A inspeção deve ser realizada em cada fase, pelos operadores e/ou chefes de seção, confrontando medidas encontradas nas peças com as definidas no projeto. As etapas convencionais de fabricação do parafuso de rosca métrica modelo M9 pode ser verificada na Figura 2. Sendo que pode-se ter um número maior ou menor de etapas, dependendo do tipo de parafuso e do maquinário utilizado.
Figura 9: Seqüência de passes de recalque para obtenção de parafuso sextavado de rosca métrica M9. Da esquerda para a direita: etapa 1 (tarugo), etapas 2 e 3 (deformação do material) e etapa 4 (corte) Fonte: SANTOS, M. R., 2006.
Figura 10: Esquema mostrando a laminação de um parafuso
USINAGEM A fabricação de parafusos através da usinagem é feita com a operação de rosqueamento, ilustrado na figura abaixo.
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Figura 11: Processo de fabricação de parafusos por usinagem
Este é um processo lento, geralmente utilizado em casos de parafusos especiais, de baixa demanda ou que por questões de projeto precisam ser confeccionado com materiais com uma grande quantidade de elementos de liga que são de difícil conformabilidade.
TRATAMENTO TERMOQUIMICO DE PARAFUSOS
Cementação Os parafusos produzidos em materiais com baixo teor de carbono, maior conformabilidade, passam por um tratamento térmico de endurecimento superficial, cementação, adicionando-se na superfície da peça uma camada rica em carbono para posterior têmpera, onde é necessário que a peça tenha o núcleo flexível com dureza baixa. Realiza-se têmpera com resfriamento em óleo ou em água e em fornos de cementação com atmosfera protetora.
Cementação Gasosa O processo é realizado em fornos com atmosfera controlada, onde o potencial de carbono está acima de 0,5%.
Cementação Líquida O processo é realizado em banhos líquidos, com sais fundidos (Banho de Sal).
Cementação Sólida (Em Caixa) O processo é realizado em peças cobertas com material sólido, rico em carbono.
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Tratamento térmico de tempera e revenido feito após a fabricação do parafuso TÊMPERA A têmpera e o revenimento são sem dúvida os tratamentos térmicos mais importantes na indústria de parafusos. Esta etapa importante da produção quase sempre é empregada em peças de segurança automotiva. A base para o tratamento térmico de parafusos é a norma EN ISO 898-1, a qual demanda uma estrutura homogênea do aço temperado e revenido. Nos aços não ligados e de baixa liga a quantidade de carbono deve estar entre 0,25 e 0,35%, para que ocorra a melhor combinação entre resistência à tração e tenacidade. Uma resistência à tração na faixa de 800 a 1.300 N/mm2 talvez possa ser atingida sob certas condições sem o tratamento térmico final, se for empregado forjamento a frio e envelhecimento ou micro liga, mas, até agora, estas aplicações tem sido limitadas. As exigências por determinadas características do parafuso demandam um forno projetado especialmente para tratar estas peças, uma instalação com tecnologia confiável, experiência de campo, conhecimento dos parâmetros físicos e metalúrgicos do processo, além das respectivas influências nos resultados do tratamento térmico. Isto é especialmente importante para produções em massa de parafusos com diâmetros que vão de menores que 2 mm a maiores que 50 mm. Em geral, espera-se que todas as peças estejam livres de defeitos e tenham propriedades bem definidas com pequenas distorções de dureza, resistência à tração, tenacidade e resistência à fadiga, entre outros. Os objetivos da instalação e do forno são os seguintes: • A mais alta capacidade de processamento dentro de uma faixa de tolerância e
confiabilidade dos parâmetros da instalação.
•Disponibilidade e produtividade da planta • O mais baixo custo por ciclo, considerando custos de operação (consumíveis) e vida em
serviço (manutenção preventiva) • Mínimo impacto ambiental.
Para atingir tais objetivos, os parafusos são tratados termicamente principalmente em linhas de fornos contínuos projetados para as necessidades do cliente e possivelmente projetados para que todas as peças tenham o mesmo impacto gás/fluido e ambiente/temperatura. Os valores estatísticos característicos que descrevem o grau no qual as propriedades necessárias são satisfeitas são Cmk e Cpk, para equipamento e processo, respectivamente, com o fator “k”
ajudando para indicar a posição do desvio entre os limites de tolerância especificados. Frequentemente os valores de k podem ser adaptados para a temperatura de revenimento, por exemplo. Um valor usual aceitável para Cmk e Cpk é >1,67. As faixas de tolerância para resistência à tração prescritas na EN ISO 898-1 são, em geral, reduzidas para 50 MPa, especialmente para a indústria automotiva. Observando de forma precisa as curvas teóricas de têmpera e revenimento torna-se secundária a distribuição homogênea das propriedades de cada parafuso, no entanto, é crucial um monitoramento contínuo dos parâmetros como temperatura, fluxo de recirculação e composição do gás de proteção. Devido as desvantagens econômicas com grandes produções, fornos de câmara universal são utilizados para aplicações especiais tais como o posicionamento de parafusos longos e finos que estão sujeitos a flexão ou para melhorar a flexibilidade com cargas pequenas. A figura 1 mostra uma linha completa de forno contínuo de esteira, que consiste (na sequência) de uma estação de carregamento para container, uma máquina de pré-lavagem com desfosfatização, o forno de austenitização, um tanque de têmpera em óleo, uma maquina de lavar para pós-lavagem, o forno de revenimento (brilhante), seguido de resfriamento em óleo solúvel e uma estação de descarga para container. 20
Figura 12:Vista parcial de uma linha de têmpera e revenimento com carregamento nominal de 2.000 kg/h As linhas de operação de fornos contínuos com esteira para parafusos podem ser divididas tanto em fornos com esteiras de elos fundidos como com esteiras em malha de arame. Os fornos com esteiras de elos fundidos são empregados para têmpera e revenimento de parafusos mais complexos de M5 a M48 com cargas entre 500 e 3.000 kg/h (Fig. 2). Uma característica adicional destes fornos com esteiras mais robustas é que a carga pode ser aproximadamente duas vezes maior que a carga com esteira de malha de arame, e que a entrada do forno pode ser fechada com uma comporta vedada para gás de proteção. Estas características reduzem consideravelmente o consumo de energia e de gás de proteção. O forno, em geral, é aquecido com queimadores recuperativos a gás usando tubos radiantes de cerâmica ou aço refratário fundido, e é economicamente viável para produções em larga escala, com grandes lotes de tratamento térmico. O tempo de austenitização e dissolução dos carbonetos em parafusos conformados a frio e baixa liga varia entre 10 e 15 minutos, com um bom recozimento anterior. Além disso, os tempos de aquecimento e de encharque para parafusos com maior diâmetro e maior peso são maiores. Isto implica que o carregamento (peso da carga)/(tempo de permanência no forno) depende das dimensões do parafusos, da densidade da carga e da distribuição da temperatura no forno. Um exemplo de curva de temperatura medida de um parafuso e a derivada do tempo de permanência em um forno de austenitização é apresentado na Fig. 4.
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O duto de queda para transferir os parafusos para o banho de têmpera é aquecido para prevenir o resfriamento prematuro dos parafusos de forma que pudessem permanecer moles. Há uma cortina de óleo que previne que o vapor do óleo têmpera entre no forno de austenitização. Acima disso, na parte superior do duto de queda, há um sistema para sucção de gás com vapor de óleo para proteger a atmosfera. A têmpera da martensita de parafusos de boro ou de aço alta-liga é feita em óleo mineral para atingir a velocidade crítica necessária de resfriamento para a transformação austenítica e para evitar flexão ou até mesmo trincas. A profundidade de têmpera depende principalmente do diâmetro do parafuso, e então da quantidade de elementos de liga na sua composição. A velocidade de têmpera varia de 1-2 m/s praticamente independente do tamanho. A descarga é normalmente realizada utilizando uma esteira transportadora, sendo os parafusos de menor dimensão retirados também com o auxílio de transportador magnético. Como a maioria dos parafusos, devido a física de transferência de calor, precisa de um tempo maior para o resfriamento, eles chegam a esteira transportadora ainda na forma mole, vermelho incandescente, ou seja, no estado austenítico. Como exemplo, o tempo para resfriar um parafuso M16 de 20MnB4 a partir de 500°C é de aproximadamente 10 segundos. Isto significa que a mínima velocidade de têmpera de acordo com o tipo de aço deve ser função da capacidade do meio de têmpera de entrar na área de impacto. Se a esteira transportadora estiver muito lenta, com o objetivo de extrair o calor de forma a evitar a fumaça do óleo, os parafusos poderão acumular-se na esteira e reduzir a velocidade de têmpera de cada parafuso, devido à falta de circulação de ar. A técnica de têmpera supõe que a quantidade de elementos de liga presente no parafuso seja alta o suficiente para que ele atinja a velocidade crítica de têmpera na seção total do parafuso. Em têmperas rápidas para M48, ligas como a 34CrNiMo6 tem que ser utilizadas para endurecer o núcleo. O risco com têmperas rápidas é de que ocorram trincas devido a alta concentração de tensões internas causadas pela transferência de calor durante a têmpera. O conhecimento da dureza do parafuso baseado na concentração de carbono com 99,9% de martensita pode ser facilmente utilizado para confirmar se ocorreu a transformação completa da austenita, retirando-se amostras durante o processo de produção.
REVENIMENTO O revenimento controla as propriedades finais dos parafusos. Os parâmetros que determinam as propriedades finais, como resistência à tração e tenacidade são a temperatura de revenimento e o tempo de aproximadamente 60-120 minutos. Como regra, quanto mais alta a temperatura e mais longo o tempo de permanência do parafuso no forno de revenimento, menor será a resistência à tração e maior será a tenacidade. A velocidade de decomposição da martensita é uma função exponencial da fração de martensita não transformada de forma que tanto o tempo de aquecimento quanto o tempo de permanência à temperatura são somados. Para se alcançar resultados com uma faixa de tolerâncias menor não é suficiente se concentrar nas quantidades de carbono e de elementos de liga do parafuso. As análises metalúrgicas (18 elementos) de cada lote do tratamento térmico tem que ser realizadas para uma configuração refinada dos parâmetros do forno. Outro fator importante na determinação da 22
qualidade é a distribuição dos parafusos na esteira. Se eles estiverem empilhados, o aquecimento e o tempo de permanência podem variar e, assim, pode haver uma dispersão significativa das propriedades mecânicas finais. Os fornos de revenimento também podem ser com esteiras transportadoras do tipo de malha de arame ou de elos fundidos, ligadas à saída dos fornos de têmpera. A saída também é uma função da densidade geral. Como a transferência de calor no revenimento, em uma faixa típica de temperatura entre 350 e 570°C depende principalmente da convecção provocada pelos recirculadores ou ventiladores, a menor densidade geral (parafusos finos) permite que pesos mais elevados tenham propriedades finais constantes. Para se atingir uma atmosfera de recirculação eficiente, o forno é dividido em múltiplas zonas e controlado de forma precisa. De forma alternativa às atmosferas de ar ou nitrogênio, o processo chamado de “revenimento brilhante” pode ser realizado com gás de proteção. O objetivo é reduzir o risco de
fragilidade ao hidrogênio. Como os modernos recobrimentos lamelares superficiais com zinco requerem uma superfície brilhante (não é permitido cores do revenimento), assim, normalmente reduz-se a camada oxidada de forma que a preparação superficial possa ser reduzida ou até mesmo eliminada. Após o revenimento, os parafusos são resfriados em um banho de óleo solúvel com 1 metro de profundidade. Na maioria dos casos, a propriedade superficial dos parafusos ainda pode ser preta (após o óleo). Os poros da camada do óxido Fe3O4 com espessura de 1-3µm são preenchidos com óleo residual. Para criar esta aparência preta, a temperatura de revenimento mínima deve ser de 400°C. A superfície resultante protegerá o suficiente contra corrosão durante o armazenamento dos parafusos.
Patentes e normas que envolvem o processo de fabricação do parafuso Na pesquisa realizada foram encontradas duas patentes registradas no Instituto Nacional de Propriedade Industrial-INPI relacionada ao processo de fabricação de parafusos:
Número da patente: PI0106329-4 - intitulada método para fabricação de
parafuso de alta resistência excelente em resistência a fratura retardada e o alívio de tensões mediante fluência.
Número de patente: PI0103136-8 - intitulada processo de fabricação de
parafuso com conformação a frio em múltiplos estágios. A fabricação de parafusos deve seguir as especificações presentes nas normas técnicas na Associação Brasileira de Normas Técnicas – ABNT. Segue abaixo algumas normas a respeito de parafusos:
NBR10087 - Parafusos com cabeça sextavada e rosca parcial grau de produto C
– Dimensões
NBR10107 - Parafusos com cabeça sextavada e rosca total grau de produto C -
Dimensões e tolerâncias.
NBR11200 - Parafuso de cabeça sextavada, com rosca total - Graus de produto
A e B, com passo de rosca fino – Dimensões.
NBR11207 - Parafuso de cabeça sextavada, com rosca total - Graus de produto
A e B – Dimensões.
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DIN 921 – Parafuso Cabeça de bandeja entalhado DIN 906- Parafuso Bujão (Com Plug Allen) DIN 908-Bujão Rosca BSP e Métrica DIN 910-Bujão DIN 911- Chave Sextavada DIN 912 – Parafuso Allen Rosca ISO DIN 913- Parafuso Allen sem Cabeça DIN 914- Parafuso Allen sem Cabeça DIN 915 -Parafuso Allen sem Cabeça DIN 916- Parafuso Allen sem Cabeça, ponta cônica Recartilhada DIN 920- Parafuso Cabeça com Fenda DIN 923- Parafuso Com cabeça com fenda com ombros. DIN 927- Parafusos com fenda no ombro DIN 931- Parafuso Cabeça Sextavada DIN 933-Parafuso Sextavado Inox DIN 933 Sz- Parafuso Sextavado com Fenda DIN 939-Prisioneiro com Rosca Parcial DIN 938-Prisioneiro com Rosca Parcial DIN 940-Prisioneiro com Rosca Parcial DIN 961 Rosca Cabeça Sextavada Rosca Total DIN 963 A- Parafuso Cabeça Chata com Fenda DIN 964 A- Parafuso Cabeça Chata oval com Fenda DIN 965 A- Parafuso Cabeça Chata com Fenda PHILIPIS DIN 966 A- Parafuso Cabeça Chata Oval Com Fenda Philips
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BIBLIOGRAFIA
[1] AVALLONE, Eugene A., THEODORE Baumeister III, ALI M. Sadegh. Marks' Standard Handbook for Mechanical Engineers. 11ª ed. Nova York: McGraw-Hill.2007. 2305 p. ISBN 978-0-07-142867-5.
[2] DEFLEUR, Melvin L.; BALL-ROKEACH, Sandra J. Teorias da comunicação de massa . Ed. Jorge Zahar, 1997. 397 p. ISBN 8571102023.
[3] NORTON, Robert L. Projeto de máquinas: uma abordagem integrada . 4. ed. Porto Alegre: Bookman, 2013. xxx, 1028 p. + 1 CD-ROM ISBN 9788582600221 (enc.).
[4] SHIGLEY, Joseph Edward; MISCHKE, Charles R; BUDYNAS, Richard G. Projeto de engenharia mecânica. 7. ed. Porto Alegre: Bookman, c2005. 960 p. ISBN 9788536305622 (enc.).
[5] WILLIAM E. WARD of Port Chester, Nova York. Improvement in machines for making bolts. B21K1/60. US38518 A. 12 maio 1863. Disponível em: . Acessado em: 30 set 2014.
[6] WILLIAM E. WARD of Port Chester, Nova York. Machine for forming bolt-blanks from cold rods of metal. B21K1/46. US252914 A. 31 jan 1882. Disponível em: . Acessado em: 30 set 2014.
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ANEXO 1 - Desenho da máquina de forjamento à quente
Fonte: William E. Ward, 1863.
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ANEXO 2 - Detalhes em corte da máquina de forjamento à frio.
Fonte: William E. Ward, 1863.
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ANEXO 3 - Desenho da máquina de forjamento à frio.
Fonte: William E. Ward, 1882.
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