INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA
DE SÃO PAULO.
CAMPUS SÃO JOSÉ DOS CAMPOS
Gabriella Vianna
Juan Sgarbi
Luana Cristina
Mayara Lima
DISPOSITIVO DE FIXAÇÃO DE AMOSTRAS PARA
MÁQUINA DE DIFRATOMETRIA DE RAIO X
Programa Integrador apresentado ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo – Campus São José dos Campos, como requisito para obtenção do Título de Técnico em Mecânica sob a orientação do Professor Dr. Irineu dos Santos Yassuda.
São José dos Campos 2016
BANCA EXAMINADORA
Projeto Integrador (PI) defendido e aprovado em
_____ de _____________ de 2016, pela banca examinadora constituída pelos professores:
Prof. Dr. Irineu dos Santos Yassuda.
... Orientador(a)
Prof.________________________________________ ...
Banca
Prof. Msc. Neimar Souza Silveira ...
Banca
Prof.________________________________________
... Banca
3 Aos nossos pais e professores Com carinho Dedicamos este trabalho.
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AGRADECIMENTOS
À Deus, por tudo que conquistamos e pela paciência nos momentos de dificuldades.
Ao professor Dr. Irineu Yassuda e sua esposa Míriam Yassuda pelas informações fornecidas que possibilitaram o inicio e concretização do projeto.
Ao professor Neimar Silveira pelo auxilio na parte escrita do projeto.
Ao professor Fernando Henrique por dividir conosco seus diversos conhecimentos técnicos, assim tirando duvidas existentes ao longo do projeto.
Ao IFSP – Campus São José dos Campos por disponibilizar os equipamentos e ferramentas do laboratório de usinagem e fabricação mecânica.
5 “Que os vossos esforços desafiem as impossibilidades, lembrai-vos de que as grandes coisas do homem foram conquistadas do que parecia impossível.” Charles Chaplin
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RESUMO
Este trabalho propõe facilitar o processo de fixação de amostras em uma máquina de Difratometria de raio X, onde são realizados testes microestruturais para a verificação de parâmetros de rede, orientações cristalinas entre outras características do material. O propósito substancial deste trabalho é aumentar essa variação das espessuras do dispositivo, assim eliminando um processo, com esta ampliação terá economia de tempo que seria gasto para a produção de amostras que se adequem ao dispositivo próprio da máquina. Este tipo de equipamento não é muito comum, ou seja, não é de fácil acesso, porém sua importância se mostra presente em quase todos os produtos ao nosso cotidiano, o objetivo principal da máquina é a destinação específica de cada material de acordo com seus atributos.
7 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 8 2 OBJETIVO GERAL ... 8 2.1 OBJETIVO ESPECÍFICO ... 8 3 JUSTIFICATIVA ... 9 4.1 MATERIAL DO DISPOSITIVO... 9 4.2 USINAGEM... 10 4.3 SERRAMENTO ... 12 4.4 TORNEAMENTO ... 12 4.5 FRESAMENTO ... 13 4.6 FURAÇÃO ... 14 4.7 MÁQUINA ... 14
4.8 SOFTWARE UTILIZADO PARA A EXPRESSÃO GRÁFICA ... 15
4.9 FERRAMENTAS ... 15
5 MATERIAL E MÉTODOS... 15
6 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 19
7 CONCLUSÃO ... 20
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1 INTRODUÇÃO
Atualmente a utilização de equipamentos de análises complexas como a de Difratometria de raios x, tem sido cada vez mais utilizadas para estudos de amostras.
O presente trabalho apresenta o processo de produção de um dispositivo de fixação, que atenda a demanda de maquinários como o citado acima, desde a análise da problemática até a aplicação do novo mecanismo com mais recursos.
É demonstrado neste projeto todas as etapas que foram realizadas para a fabricação do dispositivo onde cita os conceitos que foram essenciais para êxito do projeto e descreve a criação do mesmo.
São relatados neste estudo os resultados obtidos na produção, deixando definidas as melhorias realizadas em seu desenvolvimento através da ampliação da capacidade do dispositivo para fixação de amostra.
Com o aprimoramento, foi possível uma adequação satisfatória aos requisitos solicitados para a sua função. O estudo apresenta os resultados de testes realizados na própria máquina e torna claro o êxito do projeto.
2 OBJETIVO GERAL
Construir um dispositivo para fixação de amostras em equipamento de ensaios de Difratometria de raios X.
2.1 OBJETIVO ESPECÍFICO
Propor a aplicação dispositivo de fixação para amostras que são destinadas ao estudo de microestruturas de materiais amorfos e cristalinos, adequado a atender a demanda dos níveis de espessuras das amostras, com foco em ampliar a gama das dimensões disponibilizadas pelo atual fixador.
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3 JUSTIFICATIVA
Essa ideia do projeto nos foi proposta pelo Prof. Irineu Yassuda que identificou uma necessidade na máquina de Difratometria de raios X do laboratório de Fluorescência e Difração de raio X (LFDR) da divisão de materiais do Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE), localizado no DCTA (Departamento de Ciência e Tecnologia Aeroespacial) – São José dos Campos, onde o dispositivo atende apenas uma variação limitada de espessuras das amostras estudadas, que de fato, contribuirá para um ganho no tempo que seria empregado no preparo da análise do corpo de prova para o padrão do equipamento.
4 REFERÊNCIA TEÓRICA
Revisão dos conceitos teóricos necessários para fundamentar as análises necessárias para o estudo e aplicação do dispositivo de fixação.
4.1 MATERIAL DO DISPOSITIVO
As ligas metálicas são desenvolvidas como alternativa à utilização de alguns metais, uma vez que, elas apresentam características que os metais puros não possuem e por isso são produzidas industrialmente e largamente aplicadas habitualmente. O latão é uma liga metálica composta pela junção de átomos de cobre (Cu) e zinco (Zn) (CARDOSO, 2015).
Utilizado desde os tempos pré-históricos, o latão apresenta um brilho semelhante ao do ouro, é bastante maleável (pode ser facilmente moldada em lâminas e chapas muito finas), dúctil (pode ser reduzido em fios), boa condutora de calor e de corrente elétrica, além de apresentar uma significativa resistência à corrosão e choques mecânicos. Assim, o latão pode ser forjado, fundido, laminado e estirado a frio de maneira mais fácil do que o cobre e zinco separadamente (CARDOSO, 2015).
O metal predominante no latão é o cobre, apresentando, geralmente, mais de 50% do total da liga. O zinco, por sua vez, compõe entre 5 e 45% do latão,
10 quantidade que dita algumas características importantes dessa liga. O ponto de fusão, por exemplo, é inversamente proporcional ao teor de zinco, ou seja, quanto mais zinco tiver o latão, mais baixo é o seu ponto de fusão, o que facilita o processo de fundição. A cor do latão também varia conforme sua composição, podendo apresentar desde uma coloração fortemente acobreada até amarela clara, passando pela cor de ouro, avermelhado e amarelo brilhante (CARDOSO, 2015).
As utilizações do latão são vastas e compreendem uma série de segmentos industriais. Essa liga metálica é aplicada, por exemplo, à fabricação de tubos de condensadores, armas, cartuchos de munição, torneiras, rebites, núcleos de radiadores, instrumentos musicais de sopro, aparelhos médicos e cirúrgicos, ornamentações, joias e bijuterias, terminais elétricos, tachos e bacias, moedas, parafusos, arames, vergalhões, válvulas, rodas para carro, entre outros (CARDOSO, 2015).
Para aprimorar dadas propriedades do latão (resistência e usinabilidade, por exemplo) por vezes são adicionados à constituição da liga outros metais, sendo eles o chumbo, o estanho e o níquel. O latão ao chumbo normalmente possui de 1 a 3% de chumbo em sua composição e apresenta uma excelente usinabilidade; o latão ao estanho possui aproximadamente 2% de estanho e, por ser bastante resistente à corrosão, é muito utilizado na produção de peças de barcos; já o latão ao níquel substitui o bronze na fabricação de molas e outros (CARDOS, 2015).
4.2 USINAGEM
Processo de fabricação que promove a retirada de material da peça por cisalhamento. A porção de material retirada por esse processo é chamado de cavaco (www.cimm.com.br). A usinagem atende aos seguintes objetivos:
• Acabamento de superfícies de peças fundidas ou conformadas mecanicamente;
• Obtenção de peculiaridades (saliências, reentrâncias, furos passantes, furos rosqueados);
11 • Fabricação de peças, de qualquer forma, a partir de um bloco de material
metálico.
As operações de usinagem podem ser classificadas em: torneamento, fresamento, aplainamento, furação, mandrilamento, serramento, brochamento e roscamento, entre outros (www.cimm.com.br).
Nestas operações, assim como nos demais processos de usinagem, existe uma série de importantes parâmetros de corte a considerar. Eles descrevem quantitativamente os movimentos, as dimensões e outras características da operação de corte.
Os parâmetros que descrevem o movimento da ferramenta e/ou peça são: frequência de rotação, velocidade de corte e velocidade de avanço.
• Frequência de rotação (n) [rpm]: É o número de voltas por unidade de tempo que o eixo principal da máquina rotaciona. Pode ser calculado pela equação (1) abaixo, sendo rotação [rpm] representado pela letra n; velocidade de corte vc
[m/min] e; diâmetro D [mm].
(1)
• Velocidade de corte (vc) [m/min]: É a velocidade instantânea do ponto
selecionado sobre o gume, no movimento de corte, em relação a peça. Este parâmetro pode ser calculado pela equação (2) abaixo:
(2)
• Velocidade de avanço (f) [mm/rpm]: É a velocidade instantânea do ponto selecionado sobre o gume, no movimento de avanço, em relação a peça. A equação (3) a seguir determina esta variável representado-a pela letra (f) [mm/rot], onde (vf)é o avanço linear [mm/min] e (n) é a frequência de rotação.
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(3)
• Profundidade de corte (ap) [mm]: É a quantidade que a ferramenta penetra na
peça, medida perpendicularmente ao plano de trabalho (na direção do eixo).
A usinagem é muito comum em todo o mundo, desde a fabricação de peças para automóveis e até o processo da cópia de uma chave, por exemplo. Dentro do campo da mecânica, a obtenção de peças em série é uma das finalidades da usinagem, além da criação de qualquer tipo de objeto a partir de um bloco sólido de matéria prima (FERRARESI, 1970).
4.3 SERRAMENTO
O serramento é útil quando existe a necessidade de extração de pequenas quantidades retiradas de certos materiais que possuem maior volume, assim facilitando e até mesmo acelerando o processo de separação.
Essa é uma operação fundamental, visto que o corte de materiais é uma operação preliminar. As máquinas empregadas são máquinas de serrar e as ferramentas correspondentes são as serras, por sua forma construtiva, assemelham-se muito a fresas, pois possuem uma sucessão ordenada de arestas de corte. O corte é de um modo geral, realizado a frio. As máquinas para este processo são de vários tipos, a utilizada foi a de fita, nesse modelo a serra tem forma de uma fita ou lâmina de pequena espessura (0,8 a 1 mm), contínua e em circuito fechado. A lâmina é presa sob tensão entre dois volantes e guiada por roldanas (CHIAVERINI, V. 1986).
4.4 TORNEAMENTO
O torneamento é uma operação por intermédio da qual um sólido indefinido é feito girar ao redor do eixo da máquina operatriz que executa o trabalho de usinagem – o torno – ao mesmo tempo em que uma ferramenta de corte lhe retira material perifericamente, de modo a transformá-lo numa peça com um perfil definido, tanto em relação a forma quanto às dimensões (CHIAVERINI, V. 1986).
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4.5 FRESAMENTO
É uma operação de usinagem que é caracterizada por uma ferramenta chamada fresa, que é provido de arestas cortantes dispostas simetricamente em torno do seu eixo, seu movimento de corte é proporcionado pela rotação. O avanço é geralmente feito pela própria peça em usinagem, que deve estar fixada na mesa da máquina, o qual obriga a peça a passar sobre a ferramenta em rotação, que lhe da forma e dimensão desejadas (DINIZ, 2013).
No fresamento, assim como nos demais processos de usinagem, existe uma série de importantes parâmetros de corte a considerar. Dentre eles estão:
• Avanço por dente (fZ) [mm/dente]: É a distância linear percorrida por um dente
da ferramenta no intervalo em que dois dentes consecutivos entram em corte. Também é medido no plano de trabalho. É calculado através da equação (4) abaixo, onde vf avanço linear [m/mim]; n rotação [rpm] e; z numero de dentes.
(4)
• Velocidade de avanço linear (vf) [m/min]: É a velocidade instantânea do ponto
selecionado sobre o gume, no movimento de avanço, em relação a peça. No fresamento, o movimento de avanço é provocado pela translação da ferramenta sobre a peça ou vice-versa. A direção da velocidade de avanço é, então, radial ao eixo da ferramenta. A equação (5) abaixo representa a forma de calcular este parâmetro:
(5)
O fato de a fresa apresentar variadas formas, confere a esta operação um caráter de versatilidade em termos de geometria possíveis de serem geradas (DINIZ, 2013).
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4.6 FURAÇÃO
Na furação, uma ferramenta (broca) de dois gumes executa uma cavidade cilíndrica na peça. O movimento da ferramenta é uma combinação de rotação e deslocamento retilíneo (ao longo do eixo do furo). (www.cimm.com.br)
Uma variante da furação é o alargamento de furos, onde uma ferramenta similar à broca, porém com múltiplas arestas, remove material de um furo, aumentando seu diâmetro, ao mesmo tempo conferindo-lhe um alto grau de acabamento. Este é um processo típico de acabamento (www.cimm.com.br).
4.7 MÁQUINA
Difratometria de raio X corresponde a uma das principais técnicas de caracterização de microestruturas de materiais cristalinos, encontrando aplicações em diversos campos do conhecimento, mais particularmente na engenharia e ciência de materiais, engenharias metalúrgicas, química e de minas, além de geociências, dentre outros (KAHN, H. 2007).
Os raios X ao incidirem o material podem ser espalhados elasticamente, sem perda de energia pelos elétrons de um átomo (dispersão ou espalhamento coerente). O fóton de raios X após a colisão com o elétron muda sua trajetória, mantendo, porém, a mesma fase de energia do fóton incidente. Sob o ponto de vista da física ondulatória, pode-se dizer que a onda eletromagnética é instantaneamente absorvida pelo elétron e reemitida; cada elétron atua, portanto, como centro de emissão de raios X (KAHN, H. 2007).
Com esta técnica pode-se determinar informações sobre a microestrutura dos materiais: parâmetros de rede, tipo de sistema cristalino (cúbico, hexagonal, romboédrico) tamanho de cristalito, determinação de fases cristalinas, tensão residual. A limitação da máquina PAN alytical, modelo X’Pert PRO consiste na necessidade do fixador em fixar amostras com espessuras maiores que 3mm.
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4.8 SOFTWARE UTILIZADO PARA A EXPRESSÃO GRÁFICA
A elaboração do desenho técnico (ANEXO 1) foi auxiliado por um programa, Inventor® 3D CAD da Autodesk, que oferece ferramentas profissionais para projeto mecânico, documentação e simulação de produtos, para criação de peças, montagens e desenhos. Podendo assim, auxiliar de forma crítica a análise e previsão do aspecto técnico e visual do dispositivo.
4.9 FERRAMENTAS
Existem diversos tipos de ferramentas que são catalogadas por códigos específicos para que haja a discriminação de cada uma delas. Cada empresa tem sua nomenclatura, as adotadas neste projeto foram:
• WNMG 060408 e ONMU 050505 - Iscar • VBMT 160408-OS - Sandvik
5 MATERIAL E MÉTODOS
A elaboração do trabalho foi possível com os recursos do laboratório de usinagem do IFSP (Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia – Campus São José dos Campos) através da utilização dos equipamentos disponíveis necessários para todo o processo. Com propósito de solucionar esta dificuldade, foi elaborado um aparato que tem como principal composição o latão, para ampliar a variação de espessuras das amostras. O latão é uma liga composta por cobre e zinco, em suas proporções variáveis, na maioria das vezes o cobre tem maior porcentagem do que o zinco, além disso pode conter outros metais nessa liga com intuito de melhorar suas propriedades.
De maneira geral, uma das primeiras etapas é a traçagem, onde foram demarcados os perímetros da peça. Para auxílio deste processo foram utilizados instrumentos como: Graminho (também conhecido como altímetro), pois oferece precisão e rigidez no traçado. Para seu manuseio foi utilizada a mesa de traçagem de granito, e com o graminho apoiado na mesa, desloca-se o riscador até a altura
16 desejada e assim se efetua a marcação da peça. As marcações obtidas foram: 25mm x 30mm x 40mm apoio com furo roscado; e 25mm x 20mm x 15mm apoio; Além de paquímetro, régua e canetas especiais para traçagem.
Após toda a traçagem realizada deu-se início a utilização da serra para extração de excesso de matéria-prima, devido ao pequeno porte do dispositivo em fabricação optou-se pela serra de fita horizontal ilustrada na figura (5.1).
Fig. 5.1: Serra de fita horizontal VEKER, modelo ACRA SBS-712GI.
Posteriormente o processo de torneamento foi realizado, no torno mecânico horizontal representado pela figura (5.2), para a produção de duas peças do dispositivo, o corpo cilíndrico do dispositivo onde se deve encaixar no equipamento destinado a seu uso, e o eixo roscado que servirá para dar movimento ao mordente fixo do dispositivo, que será rosqueado no apoio.
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Fig. 5.2: Torno Mecânico VEKER, modelo TVK-1440 ECO.
Para desbaste dos componentes foi feito o uso da ferramenta WNMG 060408 e a VBMT 160408-OS para o acabamento.
O dispositivo demanda de um furo em sua superfície para prender o apoio. O processo de furação foi dado com as brocas de aço rápido (HSS) de Ø6mm, Ø8mm, Ø10mm, Ø12mm, Ø14mm, Ø16mm, Ø18mm, Ø20mm.
Ao se encerrar a furação, percebeu-se que o diâmetro adquirido pelo processo (Ø20mm) era menor que o necessário para o dispositivo (Ø40mm), por isso foi indispensável a usinagem interna do corpo cilíndrico. A ferramenta usada foi a WNMG 060408, a mesma foi utilizada para o desbaste e acabamento interno.
O apoio e o mordente móvel foram usinados em uma fresadora ferramenteira indicado pela figura (5.3), e as ferramentas ONMU 050505 Ø30 e fresa de aço rápido (HSS) Ø15 foram empregadas para desbaste e acabamento. Para a execução dos furos utilizou a broca de aço rápido (HSS) de centro Ø4 e Ø6.
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Fig. 5.3: Fresadora VEKER do modelo First VKF-430.
A tabela (5.1) relaciona as ferramentas utilizadas em todo o processo e suas aplicações.
Tabela 5.1. Ferramentas e suas aplicações
Ferramenta Aplicação
WNMG 060408
Esta é uma ferramenta designada para o desbaste e faceamento de peças cilíndricas no processo de torneamento. Ela foi utilizada para o desbaste do corpo cilíndrico do dispositivo e também para o eixo roscado que dará movimento ao mordente.
19 VBMT 160408-PS
Esta ferramenta é utilizada para o acabamento de corpos cilíndricos. Ela foi empregada para melhorar a superfícies das peças anteriormente desbastadas no torno mecânico.
Brocas de aço rápido (HSS)
As brocas são utilizadas nos processos de furação, podendo variar desde o furo de centro, pré-furo, e furos mais profundos. No projeto, foram usadas brocas de aço rápido de diâmetros Ø4, Ø6, Ø8, Ø10, Ø12.
ONMU 050505
É uma ferramenta multicortante utilizada no processo de fresamento. Ela foi designada para a usinagem das partes prismáticas do dispositivo. O seu diâmetro (Ø30) facilitou o processo e reduziu o tempo de fabricação das peças.
Fresa de aço rápido (HSS)
Esta ferramenta pode ser utilizada para o desbaste e acabamento de peças no processo de fresamento. Ela possibilitou uma usinagem mais precisa do apoio e o mordente do dispositivo.
6 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Após o término dos processos de usinagem do projeto serão realizados testes no próprio maquinário de Difratometria de raios X, e através de análises pretende-se constatar que o dispositivo atende o resultado esperado, se obteve êxito em seu funcionamento em prender amostras de espessuras de até 25mm. Na tabela (6.1) é apresentada uma comparação do dispositivo antigo e o atual, esclarecendo o resultado do projeto.
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Tabela 6.1. Capacidade de fixação de amostras da máquina.
Dispositivo Capacidade de Fixação
Antigo Espessuras de até 3mm
Atual Espessuras de até 25mm
A principal dificuldade durante todo o processo foi o atraso no início da fabricação devido a necessidade de materiais e o problema no acesso à máquina para a medição, pois não foram fornecidas as dimensões da mesma. Outro contratempo foi obter as informações sobre as dimensões desejadas do dispositivo em consequência das folgas que o maquinário disponibilizado possui.
7 CONCLUSÃO
Atualmente é necessária a correta designação de diversos tipos de materiais, para que exista esta classificação é fundamental a realização de testes, onde os resultados devem auxiliar a sua destinação adequada.
Este projeto apresenta a implementação de um novo dispositivo de fixação de amostras, o mesmo encontra-se acoplado a uma máquina de Difratometria de raios x, onde são realizadas análises relacionadas a microestruturação de múltiplos materiais.
Ainda não cumprimos todos os objetivos que tínhamos proposto, espera-se que o fixador fabricado possa atender a demanda da máquina, onde deva complementar a gama de espessuras analisadas.
Este trabalho foi fundamental para o aprimoramento deste tema, pois assim torna mais adjacente esses processos para realização da seleção de materiais que fazem parte de acervos que são de extrema importância para todos.
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8 REFERÊNCIA
DINIZ A. E., MARCONDES F. C., COPPINO N. L., - “ Tecnologia da Usinagem dos Materiais” 8ª edição - São Paulo – Artliber Editora, 2013 – Pg. 195 – 214 / 215 – 248.
CHIAVERINI. V., 1914 – tecnologia mecânica / Vicente Chiaverini – 2 Ed. – São Paulo: McGraw-Hill, 1986 – Pg. 193-238.
FERRARESI, D. “ Usinagem dos metais”/ Dino Ferraresi- São Paulo: Blucher, 1970- Pg. 25 - 26.
KAHN, H., “Difração de raio x” – (disponível em: http:// www.angelfire.com/crazy3/qfl2308/1_multipart_xF8FF_2_DIFRACAO.pdf), 2007.
CARDOSO, M., “Latão”- (disponível em:
http://www.infoescola.com/quimica/latao/), 2015.
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http://www.cimm.com.br/portal/material_didatico/3354-furacao#.VxfvzFkXUik – furação
