Artigo - TCC Esfera Rotativa

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Desenvolvimento de uma máquina para análise de 
desgaste micro abrasivo por esfera rotativa fixa 
 
Development of a machine for the analysis of micro abrasive wear by fixed 
rotary ball 
 
Bruno Mendes Dias1 
Carlos Otuka1 
Danilo Fagá1 
 Diego Silva Oliveira1 
 Geandro Jeferson1 
Lenon Torres Arruda1 
Prof. Mestre Daniel Lucas de Oliveira2 
 
Resumo 
 
O presente trabalho consiste no desenvolvimento de um equipamento de análise 
de desgaste micro abrasivo utilizando o método de esfera rotativa fixa. 
Atualmente nos processos industriais, existe um grande interesse em prever a 
durabilidade e qualidade dos materiais empregados nos processos para o 
produto final, evitando perdas desnecessárias. Essa análise poderá reduzir os 
custos de produção, manutenção e outros problemas oriundos do desgaste 
excessivo dos materiais. No teste, uma esfera de aço é girada no momento em 
que é pressionada contra a peça de ensaio, enquanto, uma pasta abrasiva é 
introduzida na área de contato. Uma cratera esférica é produzida, e o tamanho 
da mesma é medida. O coeficiente de desgaste pode ser calculado ao consumir 
a superfície do material, criando uma série de pequenas crateras e realizando a 
medição das suas dimensões. 
 
Palavras-chave: Ensaio, abrasivo, desgaste, esfera, fixa. 
 
Abstract 
 
The present present work consists in the development of a micro abrasive wear 
analysis equipment using the fixed rotary ball method. Currently in industrial 
processes, there is a great interest in predicting the durability and quality of the 
materials used in the processes for the final product, avoiding unnecessary 
losses. This analysis may reduce production costs, maintenance, and other 
problems from excessive material wear. In the test, a steel ball is rotated as it is 
pressed against the test piece, while an abrasive paste is introduced into the 
contact area. A spherical crater is produced, and the size of the crater is 
measured. The coefficient of wear can be calculated by consuming the surface 
of the material, creating a series of small craters and measuring its dimensions. 
 
Key words: Test, abrasive, wear, sphere, fixed. 
 
 
 
1 Acadêmicos do 10° termo do curso de Engenharia Mecânica no Centro Universitário Católico 
Salesiano Auxilium de Araçatuba – SP, bruno_mendes_dias@hotmail.com, Hideo_otuka@hotmail.com, 
danilofaga@yahoo.com, diego.silva.oliveira@hotmail.com, lenon_arrudags@hotmail.com. 
2 Engenheiro Mecatrõnico, Mestre em Engenharia Mecânica pela UNESP. Professor do curso de 
Engenharia Mecânica do Centro Universitário Católico Salesiano Auxilium de Araçatuba – SP, 
daniellucas@salesiano.com.br. 
2 
 
Introdução 
 
Sempre que duas superfícies se movimentarem, uma em relação a outra, 
ocorrerá o desgaste, sendo que este pode ser definido como um prejuízo 
mecânico a uma ou duas superfícies, geralmente envolvendo perda progressiva 
de material. 
Tribologia é um campo da ciência que aplica uma análise operacional para 
problemas de grande importância econômica, tais como confiabilidade, 
manutenção e desgaste dos equipamentos técnicos na interação das partes 
móveis, como engrenagens, rolamentos, acoplamentos, vedações, cames, 
embreagens, etc. O desgaste é a principal causa da perda material e do 
desempenho mecânico, enquanto o atrito é a principal causa do desgaste e da 
dissipação de energia (DOWSON, 1979). 
O desenvolvimento de todos os dispositivos mecânicos presentes no setor 
industrial, tais como, motores, bombas e turbinas, dependem exclusivamente de 
superfícies em contato. Essas superfícies em contato sofrem desgaste 
ocasionando perda de material reduzindo a durabilidade e funcionamento de 
todo o conjunto dessas áreas de contato. 
Em geral, o desgaste está presente em situações em que há contato e 
movimento. Em alguns casos, o mesmo é considerado benéfico, em outras, 
maléfico. O desgaste sofrido por uma ferramenta de corte é um caso maléfico. 
Por outro lado, o desgaste que a mesma gera no material a ser usinado é um 
exemplo benéfico. Entretanto, de um modo geral, o desgaste é visto como o 
“vilão da história” (COZZA, 2006). 
O trabalho feito para superar o atrito em rolamentos e outros componentes 
mecânicos de máquinas é dissipado como calor, portanto, sua redução levará a 
um aumento geral da eficiência. Porém, a baixa fricção não é necessariamente 
benéfica em todos os casos. Nos freios e embreagens, o atrito é essencial, como 
também, é similarmente desejável entre um pneu de veículo e a superfície de 
estrada (HUTCHINGS, 2011). 
 
 
 
 
3 
 
Materiais e Métodos 
 
A máquina deve provir de um fácil manuseio e ser capaz de produzir 
crateras com o diâmetro e contorno satisfatórios. Para comprovar o bom 
funcionamento do equipamento, foram realizados ensaios em um bit de aço HSS 
e em um corpo de aço 1045, assim, a comparação do coeficiente de desgaste 
entre os dois corpos de prova também foi efetuada. 
Como base, seguiu-se a Norma ISO 26424 2008 e o guia de boas práticas 
“Ball cratering or Micro-Abrasion Wear Testing of Coatings”. O software Autodesk 
Inventor 2017 foi utilizado para o desenho dos componentes e montagem da 
máquina, depois de vários testes realizados e ideias apresentadas o projeto 
definitivo é o mostrado na Figura 11. 
 
Figura 1: Vista isométrica da máquina. 
Fonte: Elaborado pelo Autor. 
 
As peças que compõem a estrutura da máquina são: Bancada; recipiente 
de descarte; braço angular articulado com pedestal, morsa e suporte para pesos; 
acoplamento do motor; mancais com rolamentos e bases; contra-ponto; mancal 
do contra-ponto; eixos de rotação; proteção de segurança do eixo; motor; quadro 
de comando com conversor, botoeira e botões para o acionamento. 
 
 Parâmetros e Grandezas Físicas 
4 
 
 
O conceito do ensaio consiste em desgastar a superfície de um corpo de 
teste por meio de uma esfera em aço, como representado na Figura 2, que 
durante o ensaio permanece constantemente regada por gotas de uma lama 
abrasiva, tal esfera efetua movimentos de rotação em contato com a amostra por 
um período de tempo, de modo que, devido a certa força normal aplicada, se cria 
uma cratera na superfície do material (COZZA 2006). 
 
Figura 2: Ilustração do ensaio de micro desgaste por esfera rotativa. 
Fonte: Cozza (2006). 
 
Os ensaios experimentais foram realizados com o objetivo de testar o 
desempenho da máquina, que foi produzida pelos alunos responsáveis pelo 
desenvolvimento desse trabalho. Tal teste foi concebido seguindo as 
especificações da norma ISO 26424, desta maneira, os parâmetros mostrados 
na Figura 2 foram exigidos, como também, cálculos para encontrar as grandezas 
físicas, exemplo, o volume da cratera (V), tempo de ensaio (t), etc. 
 O volume da cratera (V) é obtido após a realização do ensaio de micro 
desgaste, a cratera do corpo de prova é examinada com a ajuda de um 
microscópio, buscando o seu diâmetro (d) médio, de acordo com o demonstrado 
na Figura 3. 
 
5 
 
 
Figura 31: Representação diâmetro da cratera. 
Fonte: Cozza (2006). 
O calculo para encontrar o volume da cratera emprega o valor do seu 
raio (R) (COZZA 2006): 
𝑉 ≈
𝜋𝑑4
64𝑅
 (2) 
 
O tempo de ensaio (t) pode ser facilmente encontrado com o resultado da 
seguinte equação: 
𝑡 =
𝑆
2𝜋𝑛𝐸𝑆𝐹𝑅
 (3) 
 
S – Distancia de deslizamento entre a esfera e o corpo de prova. 
 
O Regime permanente acontece quando o coeficiente de desgaste se 
mantem contínuo ao decorrer do ensaio, uma maneira de descobrir se o “k” esta 
constante é utilizar a equação de Archard (4) em intervalos de tempo durante o 
ensaio: 
 𝑘 =
𝑉
𝑆.𝑁
 (4) 
Não existe um tempo de ensaio padrão para se alcançar o Regime 
Permanente, o andamento dependerá dos parâmetros e grandezasfísicas 
abordadas anteriormente (COZZA, 2011). 
 
Taxa de Desgaste (Q) 
A taxa de desgaste gerada pelas partículas abrasivas atuantes no sistema 
também é definida pela equação de Archard. 
𝑄 = 𝑘. 𝑁 (5) 
6 
 
O valor da taxa de desgaste também pode ser calculado pela equação (6) 
utilizando os o Volume e a Distância percorrida. 
𝑄 =
𝑉
𝑆
 (6) 
 
Desenvolvimento do ensaio 
 
A execução do ensaio realizado nas amostras de Aço HSS e Aço 1045 foram 
divididos pela distância percorrida pela esfera. 
Relação entre o Tempo de Ensaio 
e a Distância Percorrida 
Tempo de 
Ensaio 
Distância 
Percorrida 
5 Minutos 150,0 Metros 
10 Minutos 300,0 Metros 
15 Minutos 450,0 Metros 
 
Houve a padronização do peso colocado no braço de articulação sendo 510 
gramas e o intervalo de gotejamento do abrasivo foi de 01 gota a cada 5 
segundos, feito mostrado na Figura 4. 
 
Figura 4: Gotejamento do abrasivo durante o ensaio. 
Fonte: Elaborado pelo Autor. 
 
Utilizando a equação (1) foi possível encontrar a força normal de 5 Newtons 
aplicada pela esfera ao corpo de ensaio. O intuito das análises nos corpos de 
prova utilizando o microscópio é encontrar o diâmetro médio de cada cratera, 
7 
 
portanto, um microscópio digital foi utilizado para adquirir as medidas de cada 
cratera, conforme mostrado na Figura 5. 
 
Figura 5: Microscópio utilizado nas analises. 
Fonte: Elaborado pelo Autor. 
 
Fazendo uso do software do equipamento, percebeu-se que as crateras 
aparentavam ter um perímetro circular e bem definido, da maneira como mostra 
a Figura 6. 
 
Figura 6: Crateras de desgaste. 
Fonte: Elaborado pelo Autor. 
 
Resultados e Discussões 
 
O presente trabalho apresentou o projeto e a construção de uma máquina 
de ensaio de desgaste micro abrasivo por esfera rotativa fixa, embora sejam 
necessárias algumas melhorias, como por exemplo, a redução da vibração, 
comportou-se de maneira estável permitindo a geração de resultados 
satisfatórios. 
Em relação aos resultados obtidos, os mesmos foram comparados com 
os encontrados na literatura, no qual foi possível analisar uma concordância 
entre eles. 
8 
 
O método de ensaio por esfera fixa utilizado no equipamento possui uma 
ligeira vantagem em relação ao método de esfera livre, em que a ação da força 
normal está baseada no próprio peso da esfera. Com a variação da força normal 
é possível realizar várias modalidades de ensaio. 
Os gráficos I e II mostram a variação do volume desgastado em função 
do tempo de ensaio de ambas as amostras; Aço HSS e Aço 1045. 
Nos gráficos é possível correlacionar a quantidade de volume que foi 
retirado durante a formação das crateras pelas partículas abrasivas presentes 
na solução. 
 
 
Fonte: Elaborado pelo Autor 
 
 
Fonte: Elaborado pelo Autor 
 
0,000
0,200
0,400
0,600
0,800
1,000
1,200
1,400
1,600
1,800
5 Minutos 10 Minutos 15 Minutos
Grafico I - Volume de desgaste em função do tempo 
de ensaio Amostra Aço HSS [mm³]
0,000
2,000
4,000
6,000
8,000
5 Minutos 10 Minutos 15 Minutos
Grafico II - Volume de desgaste em função do 
tempo de ensaio Amostra Aço 1045 [mm³]
9 
 
Os gráficos III e IV mostram a variação da Taxa de Desgaste em função 
da distância percorrida do ensaio, sendo possível verificar que há semelhanças 
do desgaste em ambos os corpos de ensaio. 
 
Fonte: Elaborado pelo Autor 
 
 
Fonte: Elaborado pelo Autor 
 
Como mostrado nos Gráficos III e IV, o ensaio de 300 metros foi obtido o 
Regime Permanente de Desgaste tanto no corpo de ensaio de Aço HSS e tanto 
no corpo de ensaio de Aço 1045. 
Não existe uma distância percorrida ou um tempo de ensaio padrão, para 
o qual o ensaio de desgaste atinja o regime permanente. Isso depende, 
0,000000
0,000500
0,001000
0,001500
0,002000
0,002500
0,003000
0,003500
Ensaio 150 Metros Ensaio 300 metros Ensaio 450 Metros
Grafico III - Taxa de Desgaste do Aço HSS em 
função da Distância Percorrida do Ensaio
0,000
0,002
0,004
0,006
0,008
0,010
0,012
0,014
0,016
Ensaio 150 Metros Ensaio 300 metros Ensaio 450 Metros
Grafico IV - Taxa de Desgaste Médio do Aço 1045 
em função da Distância Percorrida do Ensaio
10 
 
principalmente, dos materiais do corpo de prova e da esfera utilizada no ensaio. 
Além disso, a força normal, dureza, forma, e tamanho médio das partículas 
abrasivas e dureza do material ensaiado podem influenciar na obtenção do 
regime permanente de desgaste. 
O intuito dos ensaios de desgaste micro abrasivo é obter o valor do 
coeficiente de desgaste (k) e a taxa de desgaste (Q), por meio de cálculos e 
análises de crateras produzidas nas amostras. O coeficiente de desgaste é uma 
taxa de desgaste que considera, além da distância de deslizamento (S), a força 
normal (N) (COZZA, 2011). 
A quantidade de k e Q de cada material deriva do tribossistema e dos 
parâmetros utilizados no ensaio, portanto, dependendo da situação de desgaste 
que o material for exposto, os respectivos valores de taxa e coeficiente de 
desgaste serão adquiridos. 
Ao analisar o comportamento do k e Q em intervalos crescentes de tempo 
durante um ensaio realizado, é possível perceber que os intervalos iniciais 
apresentam um comportamento alternado de k e Q, porém, é possível que tal 
comportamento se torne constante esse fenômeno é chamado de Regime 
Permanente de desgaste (RPD). Ao alcançar o RPD os valores da taxa de 
desgaste e do coeficiente de desgaste se tornam previsíveis, por outro lado, 
antes de alcançar o Regime Permanente os valores das grandezas não são 
previsíveis. 
 
Considerações Finais 
 
O desenvolvimento desse trabalho foi de grande importância para o 
grupo, pois foi adquirida ampla habilidade sobre a criação de um projeto, e 
também, um significativo conhecimento em análises do desgaste abrasivo em 
materiais. Estudos que proporcionaram a capacidade suficiente para a 
elaboração da máquina, um equipamento primordial em diversas áreas para 
evitar o desgaste e tomar as devidas precauções para que o material tenha uma 
vida útil maior. 
Todos os objetivos proposto anteriormente foram alcançados. A maquina 
é capaz de produzir crateras com os diâmetros aceitáveis, e para comprovar o 
fato ensaios foram realizados no aço rápido e aço 1045. 
11 
 
Posteriormente, alunos tem a oportunidade de efetuar consideráveis 
melhorias na automação do equipamento, como também, implantação de 
técnicas mais avançadas para medição das bordas das crateras de desgaste, a 
utilização de outros tipos de abrasivos, criação de um método prático na 
aplicação da lama abrasiva e a introdução de um cronometro na composição da 
máquina. 
 
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