ic2008 apres fabio - LFS · aço AISI 8620. ENSAIO DE FADIGA DE CONTATO EM ENGRENAGENS (FZG) Tabela 9- Quantificação da área danificada em relação a

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FZG-LASC

Nome : Fábio Koda

Orientador: Dr. Carlos Henrique da Silva

ENSAIO DE FADIGA DE CONTATO EM ENGRENAGENS (FZG)

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1. INTRODUÇÃO2. REVISÃO BIBRIOGRÁFICA (Movimentos das engrenagens e PHC)3. EQUIPAMENTO FZG 4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL FZG-LASC5. RESULTADOS 6. CONCLUSÃO 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS’

SUMÁRIO


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�Os ensaios tribológicos de campo:

•se caracterizam por apresentar variáveis do sistema “pouco controladas”,

•elevado custo (interrupção de processo produtivo),

• representam exatamente o sistema estudado.

�Os ensaios de laboratório:

•excelente controle de variáveis,

• dificuldade na transferência de resultados, principalmente devido às simplificações inerentes aos ensaios de desgaste acelerados de bancada.

INTRODUÇÃO


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�O modelamento matemático:

•Dificuldades na transferência dos resultados, •A inevitável escolha das condições de contorno e a complexidade da modelagem dos fenômenos que ocorrem nas superfícies dos materiais durante movimentos relativos, são as desvantagens desta técnica.(HUTCHINGS,1992)

Os FFNAs:

•Resistência quanto à utilização de engrenagens de FFNA

São materiais de grande interesse (cerca de 10% em relação ao aço)

• Apresentam elevada absorção de vibrações

• Uma resistência ao desgaste muito elevada em condições de funcionamento desfavoráveis, como falhas momentânea do sistema de lubrificação (HARDING, 1986).

INTRODUÇÃO


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INTRODUÇÃO


Figura 1: Relação entre Custo e Limite de Escoamento

(CARMO,2000)

Figura 2- Comparação esquemática de custo entre peças sem ser fundidas e

fundidas (http://www.ductile.org.didata/index.htm -Ductile Iron Data for design

engineers)

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REVISÃO BIBLIOGRÁFICA


inversão da direção de deslizamento relativa à direção de rolamento das engrenagens

movidas para motoras.

Atrito

Dire

ção d

e ro

lam

ento

Atrito

Dire

ção d

e ro

lam

ento

Atrito

Dire

ção d

e ro

lam

ento

Atr

ito

Direção d

e r

ola

mento

Atr

itoD

ireção d

e r

ola

mento

Atrito

Direçã

o d

e rola

mento

A direção de rolamento é da raiz para o topo na engrenagem motora e do

topo para raiz na engrenagem movida .A direção de deslizamento na motora é sempre da linha primitiva para fora

Entretanto, na raiz da engrenagem movida, a direção de deslizamento é oposta à de rolamento, enquanto para o topo ela é a mesma. a velocidade

de deslizamento da raiz e do topo para dentro (inwards) da linha primitiva

A situação onde a velocidade de deslizamento é oposta à de rolamento é conhecida como “ação de aproximação”,

= as direções de rolamento e

deslizamento é conhecida como “ação de pausa”

Figura 3: Rolamento e deslizamento no contato de dentes de engrenagens. (WRIGTH, 2001)

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• A ação de aproximação é algumas vezes considerada ser mais danosa do que a ação de pausa e consequentemente, modificações para perfis de engrenagens tem sido tentada em ordem de aumentar a proporção do ciclo de engrenamento (meshing) o qual é sujeito a ação de pausa.

•Se a ação de aproximação é mais danosa, deveria esperar a encontrar um grande desgaste na região da raiz das engrenagens motoras do que o topo.

•No contato de rolamento puro, os campos de tensões sub superficiais são criados ao redor do ponto de contato. No caso do contato não conforme forma-se uma linha de contato, como são encontradas nas engrenagens engrenadas estas tensões podem ser aproximadas usando o modelo do contato por cilindros [1] primeiramente proposto por HERTZ.

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� PHCA teoria de Hertz, para a determinação de tensões que ocorrem em superfíciesem contato, se baseia nas seguintes condições:

• Os materiais em contato são homogêneos e as tensões não excedem a de escoamento

• As tensões de contato são causadas por uma força a qual é normal ao plano de contato o que efetivamente significa que não há forças atuando entre os sólidos (cilindros).

• A área de contato é muito pequena comparada com a área de contato entre os sólidos (cilindros).

• Os sólidos em contato estão em repouso e equilíbrio.

• O efeito da rugosidade superficial é desconsiderado.

Como no caso da engrenagem podemos considerar que o contato se dá por dois cilindros na região do diâmetro primitivo aonde haverá somente rolamento daremos enfoque somente o contato entre dois cilindros paralelos.



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Segundo Stachowiak e Bachelor (2000) as tensões no contato entre os flancos de engrenagens podem ser calculadas:

•Mediante uma simplificação quando à sua geometria. •As tensões desenvolvidas no contato entre dois cilindros são equivalentes àquelas obtidas com engrenagens.



Figura 4 – Contato entre dois cilindros paralelos. atrito (STACHOWIAK e BATCHELOR,2000)

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A Tabela 1 apresenta um resumo das equações



Tabela 1 – Formulário para determinação das tensões de contato segundo Hertz

(Stachowiak e Batchelor,2000).

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Geralmente, há dois tipos de fadiga de contato superficial:

� pitting : Pitting aparece como crateras rasas em superfícies de contato. A profundidade máxima de um pit é aproximadamente a espessura da camada encruada (10 mm).

�spalling: spalling aparece como cavidades mais profundas (tipicamente 20-100 mm) das superfícies em contato com uma profundidade de 0.25 a 0.35 da meia largura de contato (denotada geralmente como "c" na literatura da mecânica da fratura).

A Figura 5 ilustra os fenômenos de pitting e spalling

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Figura 5 – Ilustração esquemática do fenômeno de pitting e spalling (DING,2003).

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FOTOS DA MÁQUINA

EQUIPAMENTO FZG

Figura 6–FZG Figura 7–FZG


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FOTOS DA MÁQUINA

EQUIPAMENTO FZG



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•CARACTERIZAÇÃO DOS CORPOS-DE-PROVA

Propriedades mecânicas, dureza e parâmetros de fabricação

PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL FZG-LASC

Tabela 02- Parâmetros e resultados das medições de dureza


Tabela 03- Propriedades mecânicas dos materiais ensaiados (Matweb, 2008)

•Dureza

•Propriedades Mecânicas

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•TRATAMENTO TÉRMICO DOS CORPOS-DE-PROVA



MATERIAL

Ferro fundido nodular no estado

bruto de fundição

AUSTENITIZAÇÃO

Temperatura = 890ºC

Tempo = 2 horas

AUSTÊMPERA

Temperatura = 270ºC

Tempo = 2 horas

Meio = banho de sais

RESFRIAMENTO

Ao ar

MATERIAL FINAL

Ferro Fundido Nodular

austemperado (FNA) com matriz

bainítica

MATERIAL

Aço AISI 8620 estado bruto de

fornecimento

CEMENTAÇÃO

Austenitização = 880ºC

Tempo = 16 horas

Têmpera

Temperatura do óleo = 130ºC

Tempo = 5 minutos

MATERIAL FINAL

Aço 8620 cementado e

temperado

(a)

(b)

Figura 10 – (a) Tratamento Térmico para FNA, (b) Tratamento Térmico para o aço AISI 8620.

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Propriedades mecanicas, dureza e parametros de fabricação


Tabela 4 – Parâmetros de fabricação das engrenagens


•Parâmetros de fabricação

Engrenagens tipo C14

Figura 11- Engrenagem tipo C14

Figura 12- Sobreposição para verificação

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A Figura 13 mostra um desenho esquemático detalhado do equipamento FZG-LASCA

A Figura 14 apresenta um esquema de nomenclatura dos corpos-de-prova.


Figura 13 - Desenho esquemático da máquina FZG-LASC.



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•ENSAIOS

A Figura 15 mostra os ensaios realizados

A Tabela 5 e 6 as condições dos ensaios

Obs velocidade das coroas 967 rpm.



FFNA

EN

SA

IOS

Pitting 6 hrs

Pitting 10 hrs

AÇO

Pitting 6 hrs

Pitting 14 hrs

Pitting 28 hrs

Pitting 56 hrs

Pitting 84 hrs

AÇO FFNARunning-in

2 hrs

Figura 15: Etapas do ensaio

Tabela 5: Parâmetros para o amaciamento

Tabela 6: Condições de Ensaio

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•ACABAMENTO SUPERFÍCIAL

Os dados de rugosidade foram coletados seguindo as direções mostradas na Figura 18 tanto para as medições no Surtronic 25 e no Form Taly Surf Series 2.

PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL FZG-LASC PARA RUGOSIDADE



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•ACABAMENTO SUPERFÍCIAL

Tabela 7 para as medições no Surtronic 25 e Tabela 2 para o Form Taly Surf Series2.


Tabela 7 - Parâmetros de medições (Surtronic 25).


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•ANÁLISE DE IMAGEM

As imagens do flanco dos dentes dos pinhões foram obtidas após no estado de fornecimento e após cada etapa de ensaio:

� A partir do início da ocorrência dos danos nos flancos, foi medido o percentual da área danificada levando em consideração a área ativa de todos os dentes.

Os dados da somatória da quantidade de danos em relação à área ativa total estão apresentados na Tabela 8.



Tabela 8 - Percentual de área danificada em relação a somatória de todas as áreas ativas dos flancos

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• ANÁLISE DE IMAGEM

RESULTADOS

A Tabela 9 mostra a evolução dos danos no dente B de FFNA e no dente C de aço AISI 8620.


Tabela 9- Quantificação da área danificada em relação a somatória de todas as áreas ativas do flanco.

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• RUGOSIDADE↓

RESULTADOS


•↑ Rvk and Rz depois do estagio de running-in para ADI indicando a presença de vales profundos (micro ou pittings).

•Os parâmetros de rugosidade após running-in só aumentaram para FFNA.

•Depois de 6 horas de pitting os parâmetros tendem a aumentar devido a presença de alguns danos

•Continuando os experimentos, os parâmetros aumentam significativamente devido a gradual evolução dos danos (fig. 9 c e d)

Figura 19 – Rugosidade em cada etapa dos ensaios: (a) fornecimento, (b) running-in, (c) 6 horas do ensaio de pitting para FNA e aço, (d) 10 horas da etapa de pitting para

o FNA e 14 horas para o aço.

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• PHC

RESULTADOS


Tabela 10 - Resultados das tensões de Hertz para o contato entre engrenagens de FFNA e aço AISI 8620.

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RESULTADOS


Figura 20 - Trincas subsuperficiais na região de pitting, em engrenagens de FNA (a, b) e de aço 8620 cementado (c, d)

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CONCLUSÃO

� O equipamento de ensaio de engrenagem FZG-LASC proporciona o dano desejado, com formação de pitting em ensaios de até 14 h.

� A avaliação do dano por medidas de rugosidade se mostrou adequada, porém a análise de imagem possui algumas vantagens como quantificação da área danificada. Os parâmetros Rz e Rvk de rugosidade tendem a diminuir sua magnitude, porém quando a ocorrência de um dano seus valores aumentam evidenciando que um dano está prestes a aparecer ou que ele já esta aparente e os valores aumentam abruptamente.

� A quantificação da ocorrência de pitting por análise de imagem da superfície do dente, mostrou bons resultados, e foi então empregada para comparar a resistência ao desgaste dos materiais das engrenagens.

� Comprovou-se que as engrenagens cementadas de aço 8620, apresentaram maiorresistência a pitting que as engrenagens de Ferro Nodular Austemperado (classe 4 ASTM).


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CONCLUSÃO

� Exames em seções ortogonais à superfície de desgaste mostraram que, no FNA, forma-se um grande número de trincas subsuperficiais, e que as trincas originam-se na matriz junto a nódulos, e crescem conectando nódulos, resultando em grande remoção de material. Já na engrenagem de aço 8620 cementado, as trincas nucleiam-se junto à superfície, e seu crescimento restringe-se à camada cementada, resultando no destacamento de pequenas porções de material.

� O de atrito que não é considerada pelo equacionamento de Hertz para o cálculo das tensões de contato. HAMILTON e GOODMAN (1966) mostraram que com a presença de atrito no contato não-conforme, a posição da tensão cisalhante máxima se aproxima da superfície com o aumento do coeficiente de atrito.

� Estes resultados são importantes no sentido de abrir a possibilidade de buscar melhorias no desempenho dos FNAs, seja por alterações na composição química, ou por outras rotas de tratamentos térmicos, podendo assim melhorar a sua competitividade.


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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

• Hutchings, I.M., 1992, Tribology: friction and wear of engineering materials, Edward Arnold, Great Britain.

• Harding, R.A,1986, “The use of austempered ductile iron for gears”, Proceedings of the 2nd World Gear Congress, Paris.

• CARMO Denilson J. Situação e Perspectiva do ADI no Brasil, Trabalho Apresentadono 55o Congresso da ABM, Julho de 2000.

• DING, Yan; RIEGER, Neville F. Spalling formation mechanism for gears, Wear• Vol. 254, pp 1307-1317, 2003.• Ductile Iron Data for design engineerss. Disponivel em:

<http://www.ductile.org.didata/index.htm> - Acesso em:12 abril de 2007.• Hamilton G.M. and Goodman L.E, 1966. The stress field created by a circular sliding

contact. J. Appl. Mech. 88, 371-376.• WRIGHT, N.A; KUKUREKA, S.N. Wear testing and measurement techniques for

polymer composite gears. Wear, Vol 51, p.1567-1578, 2001. • STACHOWIAK, G. W. BATCHELOR A. W., Engineering Tribology, 2nd

ed.(Butterworth-Heinemann, Boston, 2000)• Material Property Data. Disponível em: <http://www.matweb.com> - Acesso em: 15

fevereiro de 2008.


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