Influência da Rugosidade na Resistência à Fadiga de Rolamentos de Esferas de Contato Angular

142 Pages·2015·10.76 MB·English

LeviNascimentodaSilva
Influência da Rugosidade na Resistência à
Fadiga de Rolamentos de Esferas de Contato
Angular Produzidos por Usinagem Dura
03/2015
CAMPINAS
2014
i

Ficha catalográfica
Universidade Estadual de Campinas
Biblioteca da Área de Engenharia e Arquitetura
Rose Meire da Silva - CRB 8/5974

Silva, Levi Nascimento da, 1974-
Si38a SilInfluência da rugosidade na resistência à fadiga de rolamentos de esferas de
contato angular produzidos por usinagem dura / Levi Nascimento da Silva. –
Campinas, SP : [s.n.], 2014.

SilOrientador: Amauri Hassui.
SilDissertação (mestrado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de
Engenharia Mecânica.

Sil1. Torneamento. 2. Usinagem. 3. Rugosidade. 4. Fadiga. 5. Rolamento de
esferas. I. Hassui, Amauri,1967-. II. Universidade Estadual de Campinas.
Faculdade de Engenharia Mecânica. III. Título.
Informações para Biblioteca Digital
Título em outro idioma: Roughness influence on the fatigue strength of angular contact ball
bearings performed by hard turning.
Palavras-chave em inglês:
Turning
Machining
Roughness
Fatigue
Ball bearing
Área de concentração: Materiais e Processos de Fabricação
Titulação: Mestre em Engenharia Mecânica
Banca examinadora:
Amauri Hassui [Orientador]
Anselmo Eduardo Diniz
Rosemar Batista da Silva
Data de defesa: 16-12-2014
Programa de Pós-Graduação: Engenharia Mecânica
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Dedicatória
Ao meu pai, David da Silva (in memoriam), que sempre valorizou a educação dos filhos e
infelizmentenãopôdepresenciarestaconquista.
vii
Agradecimentos
PrimeiramenteaDeus,quemedeusaúde,inteligênciaeperseverançaparacompletarestaetapade
minhavida.
Ao Prof. Dr. Amauri Hassui, pela confiança depositada no meu trabalho, apoio e orientação desde
quandonosconhecemosnaEscolaPolitécnicadaUSP.
Àminhamãe,Lourdinha,pelosignificadoquetemnaminhavida.
Ao Prof. Dr. Fabricio Molica, da Universidade Federal de São João Del Rei (UFSJ), pelos ensina-
mentos,generosidade,amizadeeapoio.
À empresa Schaeffler, pelo apoio e por viabilizar os ensaios experimentais e fomentar a produção
deconhecimento.
Aos amigos da Schaeffler Brasil, Tiago, Paulo Reigota, Luís, Allan, João, Adílson, Alexandre,
Valdívia,Elis,SérgioZambianco,AlfonsWagner,Gilvan,MarceloDias,AndréSilva,Clodoaldoe
Emersonpelacompanhiaeaprendizado.
ix
Nãoéaleiqueprecisaserforte,éacarne
quenãopodeserfraca.
RobertoCampos
xi
Resumo
SILVA, Levi Nascimento da. INFLUÊNCIA DA RUGOSIDADE NA RESISTÊNCIA À FADIGA
DE ROLAMENTOS DE ESFERAS DE CONTATO ANGULAR PRODUZIDOS POR USINA-
GEM DURA. 2014. Dissertação (Mestrado). Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade
EstadualdeCampinas.
Em virtude do aumento da concorrência, as montadoras de veículos têm exercido pressões
sobre os fornecedores participantes da longa cadeia produtiva no sentido de reduzir custos e
aumentar a agilidade no desenvolvimento de novos produtos, sem negligenciar a qualidade e a
confiabilidade das peças. Na fabricação de autopeças, por exemplo, quando se pensa em tolerân-
cias pequenas e em acabamento de peças endurecidas, há discussões sobre o uso da retificação
convencional ou do torneamento duro. Estudos mostram que a retificação traz maiores custos,
tempos de preparação maiores e impactos ambientais negativos e apresentam, como alternativa
mais eficiente, o torneamento e faceamento contínuo ou interrompido de peças endurecidas com
perfis retos, como os rolamentos com discos axiais. Ao invés de rolamentos axiais, neste trabalho,
foi proposto o processo de torneamento duro para fabricar as pistas de rolagem em rolamentos de
esferas de contato angular utilizados em sistemas de embreagem. Neste caso, diferentemente dos
rolamentos axiais com perfil reto, o tornamento foi do tipo contínuo com perfil côncavo em que,
à medida que a ferramenta avança, o contato da aresta de corte com a peça e, consequentemente,
a seção do cavaco gerado variam. Duas velocidades de corte foram utilizadas, sendo mantidos
constantes o avanço e a profundidade de corte. Características como parâmetros de rugosidade,
circularidade, raio e forma da pista, coeficientes de simetria, achatamento e razão de material,
dentre outros, foram controlados e comparados com amostras com pistas retificadas. A vida
em fadiga de rolamentos é determinada por uma boa lubrificação e pelo bom acabamento das
pistas. Quando um dos dois falha, ocorre desprendimento de material das pistas, seguido pelo
começo de fraturas abaixo da superfície de contato. Por isso, após a fabricação, o controle e a
montagem das amostras, foram realizados também ensaios comparativos de durabilidade. Os
resultados encontrados permitiram concluir que as pistas fabricadas por torneamento duro, com
as ferramentas e parâmetros utilizados apresentaram vida útil menor que aquelas produzidas por
retificação.
Palavras-chave:torneamento,usinagem,rugosidade,fadiga,rolamentodeesferas.
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Abstract
SILVA, Levi Nascimento da. ROUGHNESS INFLUENCE ON THE FATIGUE STRENGTH
OF ANGULAR CONTACT BALL BEARINGS PERFORMED BY HARD TURNING. 2014.
Dissertação(Mestrado).FaculdadedeEngenhariaMecânica,UniversidadeEstadualdeCampinas
The automotive markets have become more competitive and the car makers push the
suppliersintheproductivechaintofocuseoncostreductionandfastdevelopmentofnewproducts,
without neglecting quality and reliability. Regarding autoparts manufacture process, with small
tolerances and finishing of hard parts, there are discussions about the use of conventional grinding
or hard turning. Studies show that grinding increases costs, preparation times and negative
environmental impacts and point out, as more effective process, the continuous or interrupted hard
turning or hard facing in hard components with straight profile, such as thrust bearings with discs.
Insteadofthrustbearings,theaimofthisworkistoproposethehardturningofracewaysincontact
ball bearings used in clutch systems. In this case, the turning was continuous with concave profile:
while the tool moves, the cut edge contact with the component and consequently the generated
chip section change. Two cut speeds were used and feed rate and cut depth have been remained
constant. Characteristics like rougheness parameters, roundness, raceway radius and its profile,
skewness, kurtosis and bearing ratio were measured and compared with those in specimens with
ground raceways. The fatigue life in ball bearings is determined by good lubrication and raceways
withgoodfinishing.Whenoneofthemfails,itoccursmaterialdeterioration(spalling)followedby
cracksunderthecontactsurface.Forthatreason,aftermanufacturing,measurementsandassembly
of the specimens, comparative durability tests were performed. The results could assess that the
raceways manufactured by hard turning with toolings and defined parameters showed reduced
fatiguelifeincomparisontospecimensmadebygrinding.
Keywords:turning,machining,roughness,fatigue,ballbearing.
xv
Lista de Ilustrações
1.1 Decomposiçãodoperfildeumasuperfíciequalquer.Fonte:(Hamrockeoutros,2004) 9
1.2 Ordem,exemplosecausasparadesviosdeforma. Fonte:(DIN4760,1982) . . . . . 10
1.3 Representaçãodoparâmetro𝑅 .Fonte: (Leach,2009) . . . . . . . . . . . . . . . . 11
𝑎
1.4 Mesmos valores de 𝑅 para diferentes perfis de superfície. Fonte: material didático
𝑎
Schaeffler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.5 Representaçãodoparâmetro𝑅 .Fonte:NationalPhysicalLaboratory-ReinoUnido . . 12
𝑞
1.6 Representaçãodoparâmetro𝑅 .Fonte:NationalPhysicalLaboratory-ReinoUnido . . 13
𝑡
1.7 Representaçãodoparâmetro𝑅 .Fonte:NationalPhysicalLaboratory-ReinoUnido 14
𝑚𝑎𝑥
1.8 Representaçãodoparâmetro𝑅 .Fonte:NationalPhysicalLaboratory-ReinoUnido . . 14
𝑧
1.9 Uma superfície aleatória como uma superfície retificada terá um 𝑅 menor que
𝑠𝑘
zero.Fonte:adaptadodeBitellieoutros(2012) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.10 Uma superfície aleatória como uma superfície retificada terá um 𝑅 igual a
𝑘𝑢
3.Fonte:adaptadodeBitellieoutros(2012) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.11 Determinação do valor da razão de material. Fonte: National Physical Laboratory -
ReinoUnido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.12 Exemplos de diferentes superfícies com seus respectivos valores de 𝑅 , 𝑅 e
𝑎 𝑧
𝑅 . Fonte:AdaptadodematerialdidáticoSchaeffler . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
𝑚𝑟
1.13 Pressão de Hertz: área de contato em forma de elipse entre duas superfícies de
curvassobcarganormal.Fonte:modificadode Brändleineoutros(1999) . . . . . . . 20
1.14 CurvaStribeck.Fonte:adaptadodeKondoeoutros(2013) . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.15 Distribuição das tensões no contato sob uma esfera parada e sob uma esfera em
movimento.Fonte:materialdidáticoSchaeffler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.16 Lubrificaçãohidrodinâmica(a)lubrificaçãoelasto-hidrodinâmica(b).Fonte: Ham-
rockeoutros(2004) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.17 Representação da espessura mínima do filme de óleo e do perfil de distribuição da
pressãodeHertz.Fonte:adaptadode(Brändleineoutros,1999) . . . . . . . . . . . . . 25
1.18 Lubrificaçãolimítrofe.Fonte:adaptadodeHamrockeoutros(2004) . . . . . . . . . . 26
1.19 Diagrama esquemático da bancada de teste de fadiga utilizada por Choi (2006) e
Guo(2008) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
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