ISEL Instituto Superior de Engenharia de Lisboa

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DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

Secções de Projecto Mecânico e Tecnologia Mecânica

Concepção e Fabrico Assistido Por

Computador

Ano lectivo 2006/2007

Semestre de Verão

(18 de Junho de 2007)

Trabalho realizado por:

28620 – André Santos – T510

29336 – David Pinheiro – T510

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ÍNDICE

I. CADERNO DE FABRICO ... 3

I.1 CONCEPÇÃO ... 3

I.1.1 DIMENSIONAMENTO/CÁLCULO ... 3

I.1.2 DESENHO CAD E DESENHOS DE DEFINIÇÃO ... 17

II. FICHA GAMA ... 18

II.1 LISTAGEM E DESENHOS DOS APERTOS ... 18

II.2 IDENTIFICAÇÃO DOS ZEROS DA PEÇA ... 19

II.3 LISTAGEM DAS OPERAÇÕES E SUA SEQUÊNCIA, PARÂMETROS E TEMPOS DE MAQUINAGEM ... 21

II.4 FERRAMENTAS UTILIZADAS ... 25

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I. CADERNO DE FABRICO

I.1 CONCEPÇÃO

I.1.1 DIMENSIONAMENTO/CÁLCULO

I.1.1.1 Análise cinemática e dinâmica do mecanismo

Partindo dos ficheiros CAD do mecanismo, fornecidos no site da cadeira, foi possível realizar um estudo dinâmico recorrendo ao software CosmosMotion. Procurando simular a força de reacção que um objecto calcado exerceria sobre o calcador, foi inserida uma mola a actuar sobre este último componente. Os menus onde foram definidas as características da mola e o movimento de translação do tubo do actuador são apresentados de seguida, conjuntamente com aqueles onde se definem os atritos nas juntas e o efeito da gravidade.

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CONCEPÇÃO E FABRICO: TRIÂNGULO

Figura 2 - Movimento harmónico e suas características, definidas para o actuador do calcador

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Figura 4 - Gravidade definida segundo o sentido negativo do eixo Y

Após definidos os parâmetros nos menus apresentados, foi possível proceder à análise dinâmica do dispositivo calcador. Foi solicitado um gráfico que indicasse o deslocamento do tubo do actuador ao longo do tempo (junta concêntrica 3). Foram também requeridos ao software gráficos que indicassem a magnitude dos esforços exercidos nas juntas de concentricidade 10 e 14, visto que eram estas as responsáveis pelo carregamento do componente em estudo (triângulo). Pela análise dos frames processados na simulação, concluiu-se que no 39º os esforços exercidos sobre a peça eram máximos. Apresentam-se na figura 5 os gráficos obtidos, com o respectivo frame assinalado por uma linha vermelha.

Tento em vista a realização do estudo estático, importaram-se as cargas dinâmicas máximas para o software de análise de elementos finitos CosmosWorks. O menu em que foi realizada a importação é apresentado na figura 6.

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Figura 5 - Gráficos solicitados ao software. O valor de tempo correspondente ao frame 39 encontra-se

assinalado pela linha vermelha (0,23 s)

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I.1.1.2 Análise estática linear

O software CosmosWorks foi o utilizado para a realização o estudo estático da peça submetida aos esforços máximos verificados na análise dinâmica. Uma vez que se pretendia que o componente analisado fosse fabricado por fresagem, acrescentaram-se raios de 5 mm nas arestas indicadas na figura 7, pois caso contrário seriam impossíveis de maquinar. Nesta imagem apresenta-se o componente inicial e a modificação realizada, à qual se seguiu o estudo estático e a optimização. O material utilizado foi o Aço AISI 1020.

Figura 7- Peça original fornecida à esquerda e peça com as arestas alteradas, à direita

Para a realização da análise estática estabeleceu-se uma malha com um tamanho de elemento médio (4mm), e utilizou-se um método adaptativo. Desta forma a malha sofreria um refinamento nas zonas mais solicitadas mecanicamente. As opções relativas ao método utilizado,

h-adaptative, são apresentadas na figura 6.

Os resultados obtidos na análise estática são apresentados nas figuras 9 a 13. Arestas

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Figura 8 - Opções do método h-adaptative. Foi estabelecida uma precisão de 99% para o cálculo e 5

iterações para o refinamento da malha nas zonas mais fatigadas

Figura 9 - Aspecto final da malha, após a análise. Também se encontram representados os esforços

importados da análise dinâmica que incluem a força centrifuga e a gravidade, aplicadas no centro de gravidade da peça.

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Figura 10 - Distribuição das tensões na peça. O valor máximo encontra-se sinalizado (131,3 MPa).

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Figura 12 - Distribuição do factor de segurança ao longo da peça. O valor mínimo encontra-se sinalizado

(2,677).

Figura 13 - Gráfico de convergência do método h-adaptative. Podemos ver que o erro resultante da análise

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I.1.1.3 Optimização

Uma vez obtidos os resultados da análise estática linear, procedeu-se à optimização da peça fornecida para o estudo dinâmico, tendo em vista a diminuição da massa. Contudo, o coeficiente de segurança da mesma não poderia ser inferior a 1,5. Uma vez que o coeficiente de segurança fornecido pelo software é calculado relativamente à tensão de cedência (351,6 MPa para o Aço AISI 1020), a tensão máxima que serviria como constrangimento ao estudo resultou do seguinte cálculo: MPa n _Adm Adm y 4 , 234 5 , 1 6 , 351 = = ⇔ =

σ

As dimensões susceptíveis de variar durante esta análise foram definidas como apresentado nas figuras 14 a 19.

Definido o objectivo (minimização da massa), as variáveis de estudo e o constrangimento (tensão admissível) procedeu-se ao estudo de optimização. Os resultados obtidos são apresentados nas figuras 19 a 21. Comparando a peça optimizada com a inicial, verifica-se uma redução na massa de 553,83 para 149,48 gramas. Isto significa que a peça optimizada tem apenas 27% da massa da peça inicial. Tornam-se óbvias as vantagens que daqui resultam, ao nível de redução dos custos na produção da peça, e menor energia requerida ao actuador do dispositivo calcador (embora este último factor seja pouco relevante).

(Note-se que nas imagens a seguir apresentadas não se encontram representadas as arestas modificadas.)

Figura 14 - Variável do estudo. Ficou definida como DV3 (Design Variable 3). Limite inferior permitido para

a dimensão.

Limite superior permitido para a dimensão.

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Figura 15 - Design Variable 4

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Figura 17 - Design Variable 6.

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Figura 19 - Distribuição das tensões na peça optimizada. O valor máximo encontra-se sinalizado (158 MPa).

Figura 20 - Distribuição das deformações na peça optimizada. O valor máximo encontra-se assinalado

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Figura 21 - Distribuição do coeficientes de segurança ao longo da peça optimizada. O valor mínimo

encontra-se assinalado (2,225).

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Figura 23 - Variação do objectivo (massa) ao longo das várias iterações realizadas.

Figura 24 - Evolução da tensão máxima verificada ao longo das várias iterações do estudo de optimização.

Após observar a distribuição das tensões e dos coeficientes de segurança da peça optimizada, pode-se constatar que o valor da tensão máxima aumentou e o do coeficiente de segurança mínimo diminuiu, como seria de esperar. Contudo, o dado mais interessante prende-se com a localização destes valores, que mudaram de local no decorrer da optimização. Também é visível que a peça optimizada possui uma distribuição das tensões mais uniforme na maioria da sua extensão.

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I.1.2 DESENHO CAD E DESENHOS DE DEFINIÇÃO

A seguir apresenta-se o modelo sólido após optimização numa perspectiva isométrica:

Figura 25 – Modelo sólido após optimização.

Tanto o modelo em formato STL como os desenhos de definição da peça optimizada encontram-se anexados na mesma pasta que o presente relatório.

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II. FICHA GAMA

II.1 LISTAGEM E DESENHOS DOS APERTOS

A listagem e desenhos dos apertos foram gentilmente cedidos pelos nossos colegas Ana Rita Oliveira e Bruno Amiano e encontram-se na imagem a seguir apresentada:

Figura 26 – Listagem simplificada dos apertos da máquina CNC.

Na figura seguinte está ilustrada a montagem do bruto maquinagem com os apertos da máquina. De notar que para além das amarras e do batente o bruto maquinagem deverá ter um calço por debaixo de si para que fique bem seguro. O bruto maquinagem usado tem uma dimensão de 90x135x20 mm.

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Figura 27 – Montagem do bruto maquinagem nos apertos

II.2 IDENTIFICAÇÃO DOS ZEROS DA PEÇA

Os zeros da peça estão identificados nas seguintes imagens:

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Figura 29 – Zeros da peça, vista de cima.

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II.3 LISTAGEM DAS OPERAÇÕES E SUA SEQUÊNCIA, PARÂMETROS E TEMPOS DE MAQUINAGEM

A listagem e sequência das operações, assim como os parâmetros de maquinagem S (velocidade de rotação da árvore), F (velocidade de avanço da ferramenta), ap (profundidade de

corte no sentido axial) e ae (profundidade de corte no sentido radial) e tempos por operação, estão

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Ins ti tu to S u p e ri o r d e E n g e n h a ri a d e L is b o a C O N C E P Ç Ã O E F A B R IC O : T R IÂ N G U L O P á g . 2 2 N º p e ra ç ã o D e s ig n a ç ã o F e rr a m e n ta E s q u e m a P a râ m e tr o s d e m a q u in a g e m T e m p o s S (r p m ) F (m m /m in ) ap (m m ) ae (m m ) 1 D e s b a s te C 4 2 6 Ø 1 6 m m 9 5 5 4 8 2 1 5 4 5 m in 3 9 s 2 F a c e ja m e n to d o t o p o C 2 4 7 Ø 1 0 m m 6 0 0 0 2 3 2 6 1 1 1 m in 2 6 s 3 F a c e ja m e n to n e rv u ra 1 C 2 4 7 Ø 1 0 m m 6 0 0 0 2 3 2 6 1 1 1 0 s

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II.4 FERRAMENTAS UTILIZADAS

A listagem das ferramentas presentes no departamento e disponíveis para a fabricação da peça, foi também gentilmente cedida pelos nossos colegas Ana Rita Oliveira e Bruno Amiano. Foi utilizado o software da DORMER (Product Selector) para apresentar as características dimensionais das fresas com os print-screens apresentados:

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III. FICHEIRO CAM E PROGRAMA CNC COMENTADO

Tanto o ficheiro CAM como o programa CNC comentado encontram-se na pasta em anexo que acompanha este ficheiro.