1. Prof. Juan Carlos Campos Rubio Introdução à Engenharia de Precisão
EXEMPLOS DE MANCAIS DE ALTA PRECISÃO
Mancais e Guias de Precisão Seleção de Guias de MovimentoGuias de Deslizamento(geralmente hidrodinâmicas) Guias de Escoamento Fluídico(externamente pressurizadas) Hidrostática(liquido – óleo) Aerostática(gas – àr) Coef. de atrito: μF < 0,001Guias de Baixo Atrito- Ferro fundido- Aço- Plásticos- Compositos- BronzeCoef. de atrito: μF – 0,3 a 0,01Guias de esferas – esferas recirculantesde rolamentosrolamentos em guiacircular (cinemático) Guias de Rolos – RolosRolos recirculantesRolos cruzadosAgulhas, conêsGuias de MolasParalelasCruzadasDiafragmaunidade selada(servo-estática) μF ~ 0,002μF ~ 0,003 Descarga elimpeza
Mancais de Mola:
Microscópio
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2. Prof. Juan Carlos Campos Rubio Introdução à Engenharia de Precisão
Ferramenta de CorteGuias de MolaAtuador Piezoelétrico (PZT) MovimentoAcionamento do PZTSensor de PosiçãoFerramentaAtuador MagnetoestritivoParafusodepré-carga
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3. Prof. Juan Carlos Campos Rubio Introdução à Engenharia de Precisão
Mancais para Instrumentos de Precisão tipo Garfo ou Pivotados
(a) (b) (c)
(a) Mancal de Cunha Pivotado em Rubi para Instrumento de Precisão (1); (b) Anemômetro com mancal de safira (2); (c) Medidor de Ângulos Topográficos com Mancais de Safira permitindo movimentos suaves das agulhas.
(1)O impulsor em uma montagem de anemômetro sob dois mancais de escorregamento polidos em “V” permitindo medir brisas da ordem de 0,7 milhas/h. (2) Anemômetro com exatidão na medição de fluxo de ár (+/- 3% de leitura) permitindo medir velocidades de vento tão baixas como 0.3 metros por segundos.
Cerâmica, rubi e safira sintéticas (corundum) são materiais capazes de receber um alto grau de acabamento. Possuindo características de baixo coeficiente de atrito, resistência ao choque, alto índice de refração, baixo peso especifico, propriedades não-magnéticas, alta resistência dielétrica (isolante).
MancaldeRubi
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4. Prof. Juan Carlos Campos Rubio Introdução à Engenharia de Precisão
Tipos de guias e mancais (Weck, 1984).
Guias de Escorregamento / Deslizamento
FEROFORM® FEROGLIDE® material composito para mancais autolubrificados da TENMAT Ltd.
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5. Prof. Juan Carlos Campos Rubio Introdução à Engenharia de Precisão
Mancais Hidrodinâmicos
Esquema de formação da película de óleo espessa em mancal hidrodinâmico de bronze sujeito a carga de sentido uniforme: (a) máquina parada; (b) partida da máquina; (c) fase de transição de velocidades e estabelecimento do regime de funcionamento; (d) máquina em velocidade plena (Norton, 1942).
Mancais de Encosto Hidrodinâmicos
Mancal de Encosto de apoios basculante (Tilting Pad Thrust bearings - TPT) da Waukesha fornece substancial aumento da capacidade de carga. O mancal de encosto TPT é projetado para que óleo fique confinado entre a flange rotativa da frente e os encostos de apoio, provocando uma pequena inclinação do apoio. Esta ação de inclinação cria a cunha requerida para operações hidrodinâmicas. Estes mancais são encontrados tanto em projetos do tipo “sem uniformização da pressão” e auto-uniformizado”, e em Pocket Feedtm ou HyFilm designs.
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6. Prof. Juan Carlos Campos Rubio Introdução à Engenharia de Precisão
Guias e Mancais de Rolamento:
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8. Prof. Juan Carlos Campos Rubio Introdução à Engenharia de Precisão
Guias e Mancais Hidrostáticos Fluído sobpressão
Mancais Hidrostáticos simples e pré-carregado.
Mancal Hidrostático Ativo Acoplamento Hidrostático
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9. Prof. Juan Carlos Campos Rubio Introdução à Engenharia de Precisão
Mancais Aerostáticos
Mancal para Eixo Árvore de Torno de Tentes de Contato
Geração de lentes com formato eixo-simétrico usinadas por tornamento com ponta única de diamante, permitindo alcançar acabamentos superficial elevados com necessidade de apenas um mínimo de polimento posterior. Para evitar a deformação das peças é utilizada uma placa de sujeição do tipo a vácuo. Este tipo de sistema de sujeição permite uma troca rápida de peças com uma precisão de re- colocação da ordem de 1 μm.
Mancal aerostático com rigidez superior a 35 e 7 N/μm nas direciones radiais e axiais respectivamente, gerando um erro de posicionamento assíncrono menor que 0,05 μm pico-a-pico.
O eixo árvore é acionado por meio de um motor de indução AC de 300 watt com sistema de ventilação integrado. A velocidade máxima é de 10.000 rpm, limitada pela força centrifuga que atua sob a força da placa de vácuo.
Os acabamentos alcançados por este eixo árvore são da ordem de 0,1 μm Ra.
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Eixo Árvore para Torneamento com Diamante
Este exemplo mostra um eixo árvore com sistema de guias aerostáticas integradas. Este tipo de equipamento é utilizado para gerar superfícies com acabamento espelhado (óptico). As geometrias são geradas pelo movimento do eixo árvore na direção axial em conjunto com o movimento da ferramenta na direção radial em relação ao eixo do movimento de rotação.
As guias aerostáticas apresentam a vantagem de baixo atrito permitindo posicionamentos com erros abaixo de 1 μm.
O eixo árvore possui um motor CC sem escovas com ventilação, Encoder de alta resolução e sistema de sujeição por anel ou por vácuo. A rigidez é superior a 85 N/μm e 8 N/μm na direção axial e radial respectivamente. Velocidade máxima com sujeição por anel e motor CC sem escovas de 12.000 rpm, fornecendo torque máximo continuo de 2 Nm entre 1000 rpm – 12 000 rpm. Este tipo de eixo permite obtenção de acabamentos abaixo dos 0,1 μm.
Eixo Árvore para Retificação da Máquina “Tetraform ‘C’ Grinding Machine” da Cranfield University (UK)
Esta máquina deve obter superfícies retificadas com acabamento óptico tanto para materiais frágeis (e.g., vidro, silício) como para metais de elevada dureza (e.g., aço ferramenta M50) com taxas de remoção relativamente altas. Este tipo de requisitos demanda alta rigidez estática e dinâmica, assim como baixos erros de movimento em uma ampla gama de velocidades. O Eixo possui uma rigidez axial e radial de 400 N/μm e 100 N/μm respectivamente e uma velocidade máxima de 6.000 rpm. O eixo possui sistemas de
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fluido refrigerante auxilia na refrigeração dos mancais por meio de canais axiais que levam o fluido até a posição do rebolo em forma de copo.
Para minimizar erros na transmissão de movimento, o acionamento motor do tipo é montado na parte posterior do eixo. O acabamento obtido é superior a 10 nm Ra podendo chegar a um valor próximo a 1 nm Ra.
Guias e Mancais Cerâmicos
Características:
• Extremamente rígidos e termicamente estáveis
• Melhoria no amortecimento e no desempenho dinâmico
• Permitem melhorias na exatidão (accuracy) e na obtenção
de cabeçotes de alta velocidade
Mancais hidrostáticos à água de cerâmicas porosas são desenvolvidos com os seguintes objetivos:
• Fornecem precisão rotacional “deterministica” e desempenho elevado para mancais e montagens em eixos árvore e (e.g. alta rigidez em maiores velocidades).
• Desenvolvimento de cabeçotes de altíssimas velocidades superiores a aquelas alcançadas por meio de cabeçotes hidrostáticos convencionais quando comparados à taxa de remoção.
Poros hidrostáticos correspondem a inúmeros restritores dispersos sobre a superfície do mancal. A permeabilidade necessária é obtida por meio da escolha adequada do material granular (pó) e da técnica de fabricação. Isto resulta em um aumento significativo da rigidez do mancal.
Ferramental, mancal cerâmico e banco de ensaio instrumentado para teste completo de mancais (Cranfield University)
Porque cerâmicas porosas e água?
• Maior rigidez dinâmica • Melhoria do amortecimento • Redução da potência requerida
• Estabilidade Dimensional • Maior estabilidade Térmica • Redução de peso
• Excelente resistência ao desgaste e à corrosão.
• Fluído de baixa viscosidade reduzindo a geração de calor.
• Aumento do módulo de elasticidade e diminuição de distorções.
• Alto calor especifico para um controle de temperatura facilitado.
• Maiores velocidades que mancais de restritor de orifício convencional.
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Mancais Magnéticos:
Mancal Magnético para Turbinas Desenvolvido pela NASA.
Os mancais magnéticos baseiam-se no principio da atração e repulsão entre pólos magnéticos. Desta forma os campos magnéticos mantém o elemento móvel suspenso sem que ocorra contato metal-metal.
Devido a elevada rigidez alcançada por este tipo de mancal sua principal aplicação se da em mancais de alta velocidade, onde pode-se atingir velocidades entre 10.000 rpm e 100.000 rpm.
Embora não exista contato entre as partes metálicas, a ação das correntes parasitas (fucall) provoca uma geração elevada de calor o que implica na utilização de sistemas de refrigeração de alto desempenho.
Mancal Magnético Ativo & Motores/Geradores de Alta Velocidades (http:www.kingsbury.com)
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Aplicações de Mancais Magnéticos - Waukesha Magnetic Bearings
São utilizados em compressores, bombas, turbo expansores, turbinas de vapor e a gás, motores e centrifugas.
• Tamanho: 38 a 1470 mm diâmetro do mancal
• Fenda Magnética: 0.01 a 5 mm
• Velocidade: 400 – 120 000 rev/min; até 264 m/s velocidade de deslocamento
• Potencia da Máquina: 23MW
• Capacidade de Carga; até 80 kN radial; 222 kN axial
• Temperatura: -185°C a +480°C
• Pressão na Cuba : até 17 Mpa (atual)
• Ambiente: Ar, água, água desmineralisada, gás natural, acido nítrico, nitrogênio liquido, hidrocarbono, vácuo.
Outras aplicações incluem mancais de motores de grande porte para sistemas de resfriamento e ventilação de sistemas de resfriamento de gases a alta temperatura de reatores nucleares e três dosadores de neutrons (neutron choppers) que operam a at 20.000 rev/min podendo chegar a 40 000 rev/min
Compressor de gás natural de 23 MW fabricado pela Demag Delaval Turbomachinery e é acionado diretamente por um motor de velocidade variável da Siemens de 23MW. O rotor possui um peso de 10 toneladas operando até 6.900 rev/min. O diâmetro do mancal radial do motor é 550 mm e o mancal radial do compressor é de 320 mm. O compressor e o motor operam por meio de acoplamentos flexíveis.
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Referencias Bibliográficas
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Carlos Umberto Burato (2003): Desenvolvimento de uma Mesa Angular Rotativa para a Usinagem de Ultraprecisão. Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica, Universidade de São Paulo -EESC, São Carlos.
Cranfield University (2004): High Performance Machining: Porous Ceramic Bearings (http://www.cranfield.ac.uk/sims/materials/processing/bearings.htm)
Erik Evan Swanson (1998): Design and Evaluation of an Automated Experimental Test Rig for Determination of the Dynamic Characteristics of Fluid-Film Bearings. PhD Thesis, Virginia Polytechnic Institute and State University. Blacksburg, VA.
F. P. Wardle; T. Snow; D. Gilham (web): AIR SPINDLES FOR HIGH PRECISION MACHINING.
Guy Pethybridge (2002): Hydrodynamic Bearings - Plain bearing options for pumps. World Pumps. June, (www.worldpumps.com)
Renato Tsukamoto (2003): Estudo Comparativo entre Mancais Aerostáticos com Restritor de Orifício e com Elemento Cerâmico Poroso. Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica, Universidade de São Paulo -EESC, São Carlos.
Slocum, A. (1992); Precision Machine Desing. Prentice-Hall, Englewood Cliffs.
Tom Kamada (1998); Roller Guideways Improve Machining Quality, Output. Machine Design, March, pp. 208-212.
Wen-Hong Zhu, Martin B. Jun, Yusuf Altintas(2001): A fast tool servo design for precision turning of shafts on conventional CNC lathes. International Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol. 41. pp. 953–965.
Xiaoyou Zhang; Tadahiko Shinshi; Lichuan Li; Akira Shimokohbe (2003): A combined repetitive control for precision rotation of magnetic bearing. Precision Engineering Vol. 27, pp. 273–282.
Catálogos:
Kingsbury Inc. (2004); Kingsbury Magnetic Bearings: Active Magnetic Bearings & High Speed Motors/Generators (ww.kingsbury.com).
NSK Américas (2004): Motion Control (www.nsk.com)
Richard Paul Russell Limited (1999); Kestrel-2000, Pocket Thermo-Anemometer, Catalog. Hampshire, England.
TENMAT Ltd. (2004): FEROFORM® & FEROGLIDE® (http://www.tenmat.com/bearings/index.html)
Waukesha Bearings Corporation, (2004): Waukesha Magnetic Bearings & W2000 Tilt Pad Thrust Bearing Product Specifications (www.waukbearing.com).
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