PROJETO DE UMA DOBRADEIRA DE TUBOS
Igor F. Basso Acadêmico do curso de Engenharia Mecânica do curso de Engenharia Mecânica Universidade Federal do Pampa
[email protected]
Tonilson S. Rozendo Professor do curso de Engenharia Mecânica Universidade Federal do Pampa
[email protected]
Resumo.
Este trabalho se propõe desenvolver o projeto de uma máquina de acionamento automatizado, que seja capaz de dobrar tubos cilíndricos de diferentes diâmetros e com diferentes raios e ângulos. A metodologia deste projeto se baseia nos seguintes passos: revisão bibliográfica, consulta de máquinas existentes no mercado, determinação dos parâmetros, concepção da máquina, dimensionamento analítico, simulações em elementos finitos, seleção e especificação dos elementos de máquinas, dimensionamento do sistema de controle e a realização do memorial do projeto. O projeto realizado permite realizar dobras em tubos de aço de até 1¼” (31,75 mm) de diâmetro com no máximo 3,35 mm (0,1318 in) de espessura de parede, com um raio de dobramento de até 300 mm. Palavras-chave:
Dobramento de Tubo. Projeto de Máquina. Máquina de Dobrar Tubo.
1. INTRODUÇÃO A conformação mecânica é um processo que permite moldar o metal (pré-forma) de modo a se obter o formato desejado. O dobramento é uma operação de conformação mecânica que consiste em realizar dobras e curvas e chapas ou tubos metálicos, pela aplicação de um momento fletor capaz de
deformar plasticamente o material (GROOVER, 2007). O objetivo geral deste trabalho é desenvolver o projeto de uma máquina com acionamento automatizado, que seja capaz de dobrar tubos de diferentes diâmetros e com diferentes raios e ângulos de dobramento. A motivação deste trabalho foi a frequente necessidade dos acadêmicos da universidade em realizar dobras em tubos, em virtudes de alguns projetos como o Baja SAE, por exemplo.
2. METODOLOGIA A metodologia deste trabalho seguiu as seguintes etapas: Revisão Bibliográfica: foi feito uma revisão de projetos e dimensionamentos de elementos de máquinas e uma revisão em fundamentos de dobramento tais como: tipos de dobramento, esforço necessário para realizar a dobra e tipos de máquinas. Determinação dos Parâmetros de Projeto e Concepção: foram definidos a faixa de trabalho da máquina, calculados os parâmetros iniciais para o projeto da máquina e no final se gerou três concepções possíveis para para a máquina.
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Dimensionamento analítico e Simulações em Elementos Finitos: nestas duas etapas se dimensionou todos os componentes da máquina analiticamente e em alguns componentes, numericamente em elementos finitos, devido à complexidade de sua geometria ou apenas para confrontar os resultados. Seleção e especificação dos elementos de máquinas: nesta etapa dimensionou-se os parafusos, mancais e outros elementos de restrição (chavetas e anéis elástico). Dimensionamento do sistema de controle: foi feito o projeto do sistema de controle da máquina e todo o sistema elétrico da máquina. Foi feito um modelo do sistema de controle para sua validação. Memorial de Projeto: nesta etapa realizou-se o memorial de cálculo, os desenhos técnicos da máquina e uma lista de material de todos os componentes necessários.
3. DESENVOLVIMENTO O trabalho deve ser enviado em formato pdf para a comissão organizadora.
3.1 Escopo da Máquina Inicialmente foram feitas as seguintes considerações com relação às características da máquina de dobrar tubos que foi projetada: a) ser capaz dobrar tubos de aço e alumínio, com diâmetro nominal
3.2 Concepção Das três concepções geradas durante o projeto a concepção escolhida para a máquina é apresentada na Fig. 1. Figura 1. Desenho Esquemático da Concepção da Máquina. Matriz Móvel
Matriz Fixa Redução Mecânica Fuso
Esta concepção baseia-se no mecanismo de dobramento por tração. O tubo é preso na matriz móvel e apoiado pela matriz fixa. O motor elétrico transmite movimento circular à matriz móvel, através da redução mecânica, e faz com que o tubo seja dobrado. A vantagem desta máquina é a elevada precisão e torque devido a transmissão mecânica.
3.3 Sistema Mecânico A Fig. 2 apresenta uma vista isométrica final da máquina e a Fig. 3 apresenta uma vista explodida da máquina. Figura 2. Vista isométrica final da máquina.
entre ½” e 1 ¼”;
b) permitir ângulos de dobramento de até 180°; c) possibilitar raios de dobramento de até 10”, permutando a matriz;
d) sistema de automação que tenha como entrada apenas o ângulo de dobra, porém o “ set up” da
máquina pode ser realizado pelo operador. XXVI CONGRESSO REGIONAL DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA E TECNOLÓGICA EM ENGENHARIA – CRICTE 2014 8 a 10 de outubro de 2014 – Alegrete – RS – Brasil
Figura 3. Vista explodida da máquina. Matriz Móvel
Estrutura
Matriz Fixa
Redutor SemFim/Coroa
3.4 Sistema de Controle O sistema elétrico da máquina utiliza um micro controlador Arduino modelo UNO R3 para automatizar a máquina, onde o operador insere apenas o ângulo de dobramento. A Fig. 4 apresenta uma imagem do modelo deste sistema. Figura 4. Modelo do Sistema de Controle. Sensor Ó tico
Motor Arduino Engrenagen Relé K3
Para que a máquina permita realizar dobras em tubos de aço c om 1¼” de diâmetro e até 3,35 mm de espessura de parede, o torque requerido na matriz móvel é de T req = 3000 Nm. Foi selecionado o motor elétrico trifásico WEG W22 Plus, com potência de 2 HP e rotação de 1750 RPM. A redução mecânica minima para obter o torque desejado na saída é de 357:1. Esta redução foi feita em três estágios, onde o primeiro estágio é um par de engrenagens helicoidais com redução 4:1, no segundo estágio se selecionou uma redução do tipo sem-fim/coroa de 30:1 e o terceiro estágio projetou-se um par de engrenagens helicoidais com redução de 3:1. Na maior parte da estrutura utilizou-se cantoneiras 2” x ¼” de aço estrutural SAE
1020, regulamentado pela norma NBR 7007 AR 350 (ou ASTM A 572 G50). Pelas análises em elementos finitos, a menor frequência natural da estrutura é de aproximadamente 70,7 Hz (4242 rpm), o máximo deslocamento é 0,24 mm e o coeficiente de segurança quanto ao escoamento é 3,5.
Botão S2
Botão S3
Botão S4
O operador utiliza o botão S2 para inserir a centena do ângulo de dobramento desejado (0 ou 1) e seleciona o botão S3 para confirmar, repetindo essa operação para a dezena e a unidade do ângulo. A máquina retornará o ângulo de dobramento e para confirmar o operador deve pressionar o botão S4, iniciando o dobramento. Neste momento o relé K3 é acionado ligando o motor. O sensor óptico é alimentado pela fonte de tensão de 12V, tal como o Arduino, e seu sinal passa pelo regulador de tensão 7805 que rebaixa a tensão para 5V. Este regulador de tensão é necessário por que as portas digitais do Arduino suportam apenas 5V e no máximo 80mA. Quando a contagem de sinais do sensor for correspondente ao ângulo de dobramento, o relé K3 é desativado.
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3.5 Dados Técnicos
RESULTADOS OBTIDOS
A Tabela 1 apresenta os dados técnicos da máquina projetada.
Ao final deste trabalho pode-se fazer as seguintes conclusões: a) a máquina realiza dobras em
Tabela 1. Dados Técnicos da Máquina. Potência (do Motor) Máximo Diâmetro de Tudo Permissível Máxima Parede de Tubo Permissível Raio de Dobramento Máximo Ângulo de Dobramento Máximo Dimensões Máximas Peso Aproximado Precisão Máxima
2 HP 1 ¼ in 3,35 mm 300 mm (11,8 in) 180º 887,6 mm x 588,9 mm x 615,9 mm 140 kg 1º
4. REFERÊNCIAS GROOVER, M. P. Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials, Processes, and Systems. 3ª Ed. United States of America: Jonh Willey & Sons, 2007.
tubos de aço de até 1¼” de
diâmetro com máximo 3,35 mm de parede, com um raio de dobramento de até 300 mm; b) o projeto da máquina de dobrar tubos realizado baseia-se no princípio de dobramento por tração, onde o tubo é fixado em uma matriz circunferencial, e é dobrado quando se gira esta matriz em torno de seu eixo; c) o sistema de controle utiliza um micro controlador Arduino, que utiliza/recebe os dados de entrada do operador e os sinais do sensor (contador) para ligar e desligar o motor, porém necessita ser calibrado na montagem final.
INARMEG, Redutores e Motoredutores (Catálogo), 2010. Disponível em: < http://www.inarmeg.com.br/catalogo/INAR MEGcatalogo.pdf>. Acesso em: 03 de junho de 2014. JUVINALL, R. C., MARSHEK, K. M., Fundamentos do Projeto de Componentes de Máquina, 4ª Ed., Rio de Janeiro: LTC, 2013. NORTON, R. L. Projeto de Máquinas: uma abordagem integrada , 2ª Ed. Porto Alegre: Bookman, 2004. SHIGLEY, J. E., MISCHKE, C. R., BUDINAS, R. G. Projeto de Engenharia Mecânica , 7ª Ed., Porto Alegre: Bookman, 2005. TANG, N. C. Plastic-deformation Analysis in Tube Bending . International Journal of Pressure Vessels and Piping, Toronto, v.77, f.12, p. 751-759, Setembro 2000. XXVI CONGRESSO REGIONAL DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA E TECNOLÓGICA EM ENGENHARIA – CRICTE 2014 8 a 10 de outubro de 2014 – Alegrete – RS – Brasil
