RELATÓRIO DE DILATAÇÃO TÉRMICA

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UNIVERSIDADE DE PASSO FUNDO
Faculdade de Engenharia e Arquitetura - FEAR
 Engenharia Mecânica
DISCIPLINA LABARATÓRIO DE FABRICAÇÃO
ACOPLAMENTO POR DILATAÇÃO TÉRMICA 
IVANDRO LUIS HECK JÚNIOR, GUILHERME HUNING, GERMANO CAMPOS, MARCELO ROSATI.
Passo Fundo
 2020
Resumo
Alguns processos de fixação de componentes metálicos são bem conhecidos, como o processo de soldagem e fixação por parafusos. Sendo assim, o presente trabalho tem como objetivo apresentar, diferentemente dos citados anteriormente, o encaixe forçado por dilatação térmica. Esse procedimento consiste em aquecer o material a ser dilatado até uma temperatura onde suas características geométricas sejam modificadas. O experimento foi realizado através de do cálculo de dilatação térmica para o aço, juntamente com o auxílio das tabelas de ajustes de furação e eixo onde se desejava a dilatação de uma luva metálica para posteriormente acoplar um eixo. O principal objetivo do experimento foi achar a temperatura ideal para que ocorresse a dilatação do material da luva a ponto de conseguir o encaixe do eixo. Por fim, o resultado obtido foi a temperatura correta, fazendo com que o eixo fosse acoplado de maneira em que não foi necessário um maior esforço para que o mesmo passasse pelo furo da luva.
Palavras-chave: Dilatação; Fixação; Aço; Ajuste; Acoplamento.
1. Introdução
 Em um cenário industrial aonde predomina os avanços tecnológicos encontramos diversas maneiras de realizar a junção de componentes. As mais usuais e conhecidas pelas pessoas que habitam esse meio é o processo de soldagem e a fixação por parafusos e porcas. 
 Outro processo de fixação de componentes que se mostra muito eficaz é o acoplamento por dilatação térmica. Esse tema não se trata de um assunto novo, pois é sabido pela maioria das pessoas que todo e qualquer corpo molecular sofre variações em sua estrutura com o aumento ou diminuição da temperatura, isso também serve para soluções líquidas e gasosas.
 Quando um corpo é submetido a altas temperaturas, ocorre a agitação das moléculas, sendo assim, as mesma acabam afastando-se em busca de ocupar mais espaço, aumentando então o volume do corpo. Para o caso de retirada de calor o efeito se torna o contrário, onde acontece a junção das moléculas assim diminuindo o volume e reduzindo o tamanho do corpo.
 Aproveitando-se desse fenômeno físico, as empresas começaram a utilização desse método no setor de montagem industrial, um desses setores se trata do meio metalúrgico, onde componentes de aço são usinados onde suas geometrias são determinadas sobre um padrão para garantir que o processo de fixação ocorra de forma de forma prevista pelos estudos e cálculos de engenharia. A dilatação térmica é dividida em três tipos: linear, volumétrica e superficial. 
 O aquecimento da peça que se deseja expandir pode ser realizado de diversas maneiras, porém, o método com maior precisão acaba por ser a utilização do forno, assim é possível obter a temperatura exata para que aconteça a dilatação para determinado material.
 Esse aparelho especificado no parágrafo anterior foi utilizado para o presente experimento, onde com seu auxílio foi aquecido uma uva de aço com a finalidade de fazer o acoplamento de um eixo. A obtenção da temperatura correta, ou o mais próximo disso, pode ser determinada através dos cálculos de dilatação térmica.
 Baseando- se nos tipos na dilatação linear a atividade em questão teve como objetivo procurar a temperatura ideal para que o acoplamento do eixo acontecesse, onde a mesma deve ser determinada considerando também a temperatura ambiente. Assim então, com o auxílio dos equipamentos corretos de aquecimento e o método correto de obtenção da temperatura, é possível promover uma junção de componentes de modo eficaz q com qualidade.
2. Materiais e Métodos
O experimento teve seu desenvolvimento em três etapas. A primeira etapa aconteceu em sala de aula onde foi realizado o reconhecimento da proposta do problema. O mesmo esperava determinar a temperatura necessária para a dilatação de uma luva metálica onde posteriormente deveria ser acoplado um eixo.
O conjunto luva/eixo são construídos de aço, e não especificados no problema. Para a intensão de dilatação foi priorizado as dimensões do da furação da luva, onde o mesmo teve sua medida de 36mm, igualmente para o diâmetro do eixo. Essas medidas foram tomadas com o auxílio de instrumento de medição, nesse caso, o paquímetro. 
Após a retirada das informações necessárias foi o memento de realizar a segunda etapa, essa que teve como objetivo o desenvolvimento dos cálculos de dilatação térmica. A apuração dos cálculos só foi possível com as tabelas padronizadas de ajustes e tolerâncias da norma NBR6158 (sistema ISO).
Proveniente desses cálculos foi achado a temperatura referente a dilatação do material, sendo assim, passando para a terceira e última etapa. A fase em questão é o aquecimento da luva na temperatura estipulada na etapa anterior, o aquecimento foi efetivado através do forno Mufla, exemplificado na Figura 2, onde foi regulado com a temperatura encontrada. Posteriormente, a peça foi colocada no interior do forno com o mesmo já aquecido de deixada por 15 minutos, assim finalmente após esse intervalo de tempo a peça foi retirada e aconteceu o acoplamento do eixo, como mostrado na Figura 2.
3. Resultados e Discussão
Para atingir o objetivo do experimento, foram necessárias algumas etapas de cálculos. O cálculo da temperatura de dilatação é dada por:
 (1)
 Coletando o diâmetro do eixo e furo, assim com auxílio das tabelas de ajustes chegando ao resultado:
Diâmetro do eixo: 36mm Z8
 Furo da luva: 36 H7
O coeficiente de dilatação linear do material (α) pode ser retirado da Tabela1, considerando o material como sendo aço temos:
α= 0,000 012°C
Sendo assim, para concluir o cálculo da temperatura de dilatação será necessário descobrir o valor do quanto é necessário a peça dilatar (ΔL), e o valor do comprimento inicial (Li), considerando a interferência máxima.
Com isso, começando a retirada dos dados do eixo temos:
Dimensão nominal: 36mm
Utilizando a tabela de tolerâncias normalizadas para uma qualidade IT8 e diâmetro nominal do eixo foi encontrado o valor de 0,039mm conforme mostrado na Figura 3. 
Para o afastamento de referência:
ai: 112µm = 0,112mm
 as: 0,112 + 0,039 = 0,151mm
Então:
Diâmetro máximo do eixo: 36 + 0,151 = 36,151mm
Diâmetro mínimo do eixo: 36 + 0,112 = 36,112mm
Após os cálculos do eixo chega a hora de calcular o furo da luva:
Dimensão nominal: 36mm
Utilizando a tabela de tolerâncias para uma qualidade IT8 temos o valor de 0,025mm.
Os afastamentos são dados por:
 ai: 0
 as: 0,025 + 0 = 0,025mm
Então:
Diâmetro máximo do furo: 36 + 0,025 = 36,025mm
Diâmetro mínimo do furo: 36 + 0 = 36mm
O cálculo para a interferência máxima é dado pelo diâmetro mínimo do eixo diminuindo o diâmetro máximo do furo, assim encontrando o ΔL, a fórmula é dada por:
 Interferência máxima = (2) 
 
Com isso substituindo os valores na Equação 2, é encontrado:
36,151 – 36 = 0,151mm = ΔL
Após encontrar o valor da dilatação do material o passo seguinte é determinar o comprimento inicial do furo levando em consideração a interferência máxima, assim a interferência máxima é diminuída do diâmetro nominal, assim ficando:
Li = 36- 0,151 = 35,849mm
Finalmente, com todos os dados encontrados pode ser calculada a temperatura necessária para a dilatação da peça. Aplicando os valores encontrados na Equação (1), de tal modo que:
Com isso, a temperatura ideal para que o material da peça seja dilatadoo necessário para acoplar o eixo é de 351°C.
4. Tabelas
Tabela 1. Coeficientes de dilatação térmica para cada material.
	COEFICIENTE DE DILATAÇÃO TÉRMICA EM° C
	MATERIAL
	COEFICIENTE DE DILATAÇÃO LINEAR
	Aço
	0,000 012
	Alumínio
	0,000 024
	Antimônio
	0,000 011
	Chumbo
	0,000 029
	Cobre
	0,000 017
	Ferro Fundido
	0,000 010 5
	Grafite
	0,000 007 8
	Ouro
	0,000 014
	Porcelana
	0,000 004 5
	Vidro
	0,000 000 5
Fonte: Mecânica, 2010.
4. Figuras
Figura 1- Forno Mufla para aquecimento da peça.
Fonte: Cimm, 2017.
Figura 2- Conjunto acoplado após a dilatação térmica.
Fonte: Curso de engenharia mecânica UPF, 2020.
Figura 3- Tabela padrão de tolerâncias normalizadas.
Fonte: Guimarães, 1998.
5. Conclusões
Com o experimento realizado nota-se que é possível estipular uma temperatura de dilatação do material tendo como dependência o quanto a peça em questão pode ser alongada. Isso também equivale para o efeito contrário, onde se deseja saber o quanto a peça vai dilatar sabendo a temperatura em que a mesma vai ser exposta.
Sabe-se também que esses não são os únicos fatores que são importantes para que esse processo de dilatação aconteça, também deve-se saber os valores de calorimetria do material e o tamanho inicial da peça.
Também foi possível observar que existem três tipos diferentes de dilatação térmica, sendo que cada um pode ser aplicado para uma determinada geometria de corpo diferente, porém, todos contém o mesmo objetivo.
E finalmente, com o término do experimento foi possível analisar que o método de acoplamento de componentes por dilatação térmica se torna eficaz, pois se realizado de maneira correta garante uma boa qualidade de fixação e uma boa resistência.
6. Referências Bibliográficas
Cimm. (n de Npvembro de 2017). Forno Mufla. Acesso em 18 de Março de 2020, disponível em www.cimm.com.br: https://www.cimm.com.br/portal/produtos/exibir/30310-forno-mufla-rvt-mfl-23l-dig-refratario
Guimarães, V. A. (1998). Controle Dimensional e Geométrico- Uma Introdução à Metrologia Industrial.
Mecânica, B. d. (15 de Maio de 2010). Dilatação Térmica. Acesso em 19 de Março de 2020, disponível em mecanica-blog.blogspot.com: http://mecanica-blog.blogspot.com/2010/04/dilatacao-termica.html
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