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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
ISELISELISELISEL Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
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
III. FICHEIRO CAM E PROGRAMA CNC COMENTADO ................................................. 27
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CONCEPÇÃO E FABRICO: TRIÂNGULO
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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.
Figura 1 - Localização da mola e suas características
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Figura 2 - Movimento harmónico e suas características, definidas para o actuador do calcador
Figura 3 - Menu em que o atrito das juntas é desprezado, como solicitado no enunciado do trabalho
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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)
Figura 6 - Menu de importação das cargas dinâmicas para o software FEA CosmosWorks.
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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
alteradas
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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).
Figura 11 - Distribuição das deformações na peça. O valor máximo encontra-se assinalado (7,509E-5 m).
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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
(baseada na energia de deformação) é inferior a 5,8%.
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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:
MPan AdmAdm
y4,234
5,1
6,351==⇔= σ
σ
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
Figura 16 - Design Variable 5
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Figura 17 - Design Variable 6.
Figura 18 - Design Variable 7
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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
(1,934E-4 m).
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Figura 21 - Distribuição do coeficientes de segurança ao longo da peça optimizada. O valor mínimo
encontra-se assinalado (2,225).
Figura 22 - Variação das dimensões das variáveis ao longo das várias iterações do estudo de optimização.
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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:
Figura 28 – Zeros da peça, vista de frente
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Figura 29 – Zeros da peça, vista de cima.
Figura 30 – Zeros da peça, vista isométrica.
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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
presentes na tabela da página seguinte.
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Nº
Operação
Designação
Ferramen
ta
Esq
uem
a
Parâm
etros de maq
uinag
em
Tem
pos
S
(rpm)
F
(mm/m
in)
a p
(mm)
a e
(mm)
1
Desbaste
C426
Ø16mm
955
482
1
5
45min
39s
2
Facejamento
do topo
C247
Ø10mm
6000
2326
1
1
1min
26s
3
Facejamento
nervura 1
C247
Ø10mm
6000
2326
1
1
10s
ISEL
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Pág
. 23
4
Facejamento
entre
nervuras
C247
Ø10mm
6000
2326
1
1
15s
5
Facejamento
nervura 2
C247
Ø10mm
6000
2326
1
1
5s
6
Contorno
das nervuras
C247
Ø10mm
6000
2326
1
1
12s
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. 24
7
Contorno da
peça
C247
Ø10mm
6000
2326
1
1
10s
8
Furo maior
C247
Ø10mm
6000
2326
1
1
3s
9
Furo menor
1
Broca
Ø6mm
1194
235
- -
4s
10
Furo menor
2
Broca
Ø6mm
1194
235
- -
4s
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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:
Figura 31 – Fresa cilíndrica de desbaste Ø 16 mm, referência C426
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Figura 32 – Fresa cilíndrica de acabamento Ø 10 mm, referência C247.
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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.