Final Presentation

Today (08/22/2018) happened the final presentation of our Integrator II Project at the SENAI Cimatec University Center. This presentation dealt with the entire design and manufacturing methodology of the rivet joint, as well as all the fault theories and calculations performed for rivet and joint design.

We would like to thank teachers João Ricardo, Kelly Barros, Paulo Guedes and our coordinator and guidance counselor Guilherme Souza for the support and guidance during the development stages of the project.

Apresentação Final

Hoje (22/08/2018) aconteceu a apresentação final do nosso Projeto Integrador II no Centro Universitário SENAI Cimatec. Nessa apresentação foram abordadas toda a metodologia de projeto e fabricação da junta rebita, assim como, toda as teorias de falhas e cálculos realizados para o dimensionamento dos rebites e da junta.

Gostaríamos de agradecer aos docentes João Ricardo, Kelly Barros, Paulo Guedes e ao nosso coordenador e orientador Guilherme Souza pelo apoio e orientação durante as etapas de desenvolvimento do projeto.

Resistance Test of Revited Joints

Today the Resistance Test of the riveted joints (Video 1) occurred. This test aims to analyze the tensile strength performance of the joints and whether they will fail when it reaches 35kN.

Video 1 - Tension Test of the Rivet Joint.

Source: Own

During the test we obtained a value of 42 kN for the riveted joint with the rivets made by the metallic mold process and 5 kN for the rivets manufactured by the green sand process.

It was observed that the rivets manufactured by the metal mold sheared in the same plane and at the same instant, as shown in Figure 1. Therefore, we can perceive a uniform composition of the material.

Figure 1 - Rivet joint after the tensile test

Source: Own

In riveting the joint with rivets manufactured in the green sand process, the heads of the same did not withstand compression during the forging step to secure them to the joint, thereby the plates were not completely joined, resulting in a small resistance.

Teste de Resistência das juntas rebitadas

Hoje ocorreu o Teste de Resistência das juntas rebitadas  (Vídeo 1). Esse teste tem como objetivo analisar o desempenho de resistência à tração das juntas e se as mesma irão falhar quando atingir o valor de 35kN.

Vídeo 1 -  Teste de tração da Junta Rebitada

Durante o teste obtemos o valor de 42kN para a junta rebitada com os rebites fabricados pelo processo de molde metálico e 5 kN para os rebites fabricados pelo processo de areia verde. 

Foi observado que os rebites fabricado pelo molde metálico cisalharam no mesmo plano e no mesmo instante, conforme mostrado na Figura 1 .Portanto, podemos perceber uma composição uniforme do material.

Figura 1 - Junta rebitada após o Teste de tração.

Fonte: Própria

Na rebitagem da junta com rebites manufaturados no processo de areia verde, as cabeças dos mesmos não suportaram a compressão durante a etapa de forjamento para prendê-los na junta, com isso, as chapas não ficaram totalmente juntas, resultando em uma resistência pequena.

Riveted Joint Fabrication

The manufacture of the riveted joints took place by means of cold forging with the use of a press. This process modifies the geometry, dimensions, and mechanical properties of a metal body by the action of direct compressive stresses. The steps are performed to forge the head of the rivets and thus to obtain the union of the joints occurred as follows:

1- Initially a 1/4 "SAE 1020, 300x300 mm steel plate was cut into eight strips (Figure 24), to be manufactured two plates: one for the rivets made by the green sand process and another for the rivets manufactured by the metal mold, four strips of 42x100 mm, which will be used as the central plates of the joint and the other four of 42x91 mm, which will be used as the upper and lower plates of the joints

Figure 1 – Steel strips.

     

Source: Own

2- After the steel sheets were cut, the drilling process was started (Figure 2), using a 7 mm bit for the gasket of the rivets made of sand mold and 7.5 mm for the gasket of rivets made of metal. Prior to drilling, the plates were positioned in the designed gasket shape and then welded to obtain concentric holes in all plates. These holes will be needed to fit the rivets that will join the strips.

                                                    Figure 2 – Steel strips drilling

   

   Source: Own

3- After drilling the plates, the weld points were removed, which were used to facilitate the drilling process.

4 - After the steel plates were pierced, the rivets were placed in the holes and a die was inserted into the rivet body and taken to the hydraulic press, as shown in Figure 3, so that the final union of the steel strips.

Figure 3 - Rivet head forging

Source: Own

5 - After the procedure is carried out on all the rivet keys, obtained as riveted steel joints with the rivets manufactured by the casting in metallic medium and casting in green sand, respectively in Figure 4 and Figure 5.

Figure 4 - Riveted joint

Source: Own

Figure 5 - Rivet seal with rivets manufactured by the casting in mold of green sand.

Source: Own

Projeto de fabricação das juntas rebitadas

A fabricação das juntas rebitadas aconteceu por meio de forjamento a frio com a utilização de uma prensa. Nesse processo se modifica a geometria, as dimensões, e as propriedades mecânicas de um corpo metálico pela ação de tensões compressivas diretas. Sendo as etapas realizadas para forjar a cabeça dos rebites e dessa forma obter a união das juntas ocorridas da seguinte forma:

1- Inicialmente uma chapa de aço SAE 1020, 300x300 mm com 1/4” de espessura foi cortada em oito tiras (Imagem 24), para ser fabricado duas chapas: uma para os rebites fabricados pelo processo de areia verde e outra para os rebites fabricados pelo molde metálico, sendo quatro tiras de 42x100 mm, que serão utilizadas como as chapas centrais da junta e as outras quatro de 42x91 mm, que serão utilizadas como as chapas superiores e inferiores das juntas.

                                                       Imagem 1 – Tiras de aço cortadas.

                                                         

                                                                          Fonte: Própria

2- Após o processo de corte das chapas de aço, iniciou-se o processo de furação das mesmas (Imagem 2), utilizando para isso uma broca de 7 mm para a junta dos rebites fabricados em molde de areia e 7,5 mm para a junta dos rebites fabricados em molde metálico. Antes de realizar a perfuração, as chapas foram posicionadas no formato da junta projetada e então soldadas, a fim de obter furos concêntricos em todas as chapas. Esses furos serão necessários para encaixar os rebites que irão unir as tiras.

                                                      Imagem 2 – Furação das tiras de aço.

Fonte: Própria

3- Após a perfuração das chapas, foram removidos os pontos de soldas, que foram utilizados para facilitar o processo de perfuração.

4- Após as chapas de aço serem furadas, os rebites foram colocados nos furos e uma matriz foi inserida no corpo do rebite e levado para a prensa hidráulica, conforme mostrado na Imagem 3, para que possa ser realizada a união final das tiras de aço.

                                      Imagem 3 – Forjamento da cabeça do rebite 
                                                 
                                                             Fonte: Própria

5- Após o procedimento ser realizado em todas as cabeças dos rebites, obteve-se as juntas de aço rebitadas com os rebites fabricados pela fundição em molde metálico e pela fundição em areia verde, respectivamente  mostrado na Imagem 4 e Imagem 5.

Imagem 4 – Junta rebitada com rebites fabricados pela fundição em molde metálico.

Fonte: Própria

Imagem 5 - Junta rebitada com rebites fabricados pela fundição em molde de areia verde.

Fonte: Própria

Quality Analysis of the rivets manufactured by the green sand mold

Visual Inspection

The rivets obtained from the cast in green sand (Figure 1) presented a poor surface finish, with a lot of porosity and burrs. This was due to the granulometry of the sand used to make the mold, which had a considerably large size, causing the molten aluminum to penetrate these holes, generating the porosities and burrs. However, these factors were considered in the manufacturing project, so it was previously planned, after the casting, besides the removal of the feed channel, also a surface treatment, where a grinder was used to remove both the burrs and the surface porosities.

Figure 1 - Rivets obtained by the green sand process

Source: Own

Dimensional Inspection

The green casting process ensured excellent dimensional accuracy. The designed model printed in 3D ensured an exact dimension for aluminum shrinkage during solidification, so the diameter of the rivet obtained had an average value of 7 mm, which was the value projected by the team.

Análise de Qualidade dos rebites fabricados pelo molde de areia verde

 Inspeção visual

Os rebites obtidos a partir da fundição em areia verde (Figure 1) apresentaram um péssimo acabamento superficial, com bastante porosidade e rebarbas. Isso ocorreu por conta da granulometria da areia utilizada na fabricação do molde, que tinha um tamanho consideravelmente grande, fazendo o alumínio fundido penetrar nesses orifícios, gerando as porosidades e as rebarbas. Porém esses fatores foram considerados no projeto de fabricação, então foi previamente planejado, após a fundição, além da retirada do canal de alimentação, também um tratamento superficial, onde foi utilizada uma esmerilhadeira para retirar tanto as rebarbas, quanto as porosidades superficiais.

Figure 1 - Rebites obtidos pelo processo de areia verde

Fonte: Própria

   Inspeção dimensional

O processo de fundição por areia verde garantiu uma ótima precisão dimensional. O modelo projetado impresso em 3D garantiu uma exata dimensão para a contração do alumínio durante a solidificação, portanto a dimensão do diâmetro do rebite obtido teve um valor médio de 7 mm, que foi o valor projetado pela equipe.

Sand Moulding Process.

The process of manufacturing rivets through the sand moulding process began today. The initial step was given through the making of the mold. Therefore, it was necessary to manufacture the proper sand with the following proportions, by weight: 100 sand to 20 clay and 4 water.

In figure 1, the preparation of the lower molding box assembly is shown and in Figure 2 the upper box already shown is shown in the lower box.

                         Figure 1 – Bottom box assembly                                 

Source: Own

Figure 2 - Upper box assembly

Source: Own

During the demolding of the crate, to remove the model, some problems occurred, among them: The breaking of some bodies of the rivets and the collapse of the sand, as shown in Figure 3. This is due to the fragility of the material used to make the model and the need for a greater amount of clay to allow greater consistency of the sand.

Figure 3 – Demolding failure.

Source: Own

Therefore, some measures were taken to solve such problems, among them: The body of the rivets that were tree-mounted was cut and more clay was added to increase the consistency of the sand.

In figure 4, the lower molding box is shown, using as a model only the rivet body and not the rivet in the trees. The surface of the lower carton was covered with talcum powder to facilitate separation of the cartons, preventing sand from the lower carton from coming into contact with the sand of the upper carton. In Figure 5, the upper carton assembly is shown after opening the feed channels.

                    Figure 4 - Reworked Bottom Box                      

Source: Own

Figure 5 – Mold with feeding channel

Source: Own

After the feeding channel was opened, it was time to spill the molte step (Figure 6).

Figure 6 - Leakage of the aluminum in the sand mold.

Fonte: Própria

This step consisted in filling the mold with the cast aluminum, as shown in the Video below and after solidifying it will have the dimensions of the projected rivet.

After the solidification of the part inside the mold (Figure 7), it was removed to obtain the part that was not yet the final, because it was necessary to remove the feed channels.

Figure 7 - Form solidified and ready for demolding.

Source: Own

After the withdrawal of the channels the rivets shown in Figure 8 were obtained.

Figure 8 - Obtained rivets.

Source: Ouw

Etapa de fabricação dos rebites - Processo de Areia Verde

 Iniciou-se hoje o processo de fabricação dos rebites pelo processo de areia verde. A etapa inicial foi dada através da confecção do molde. Logo, foi necessário a fabricação da areia verde com as seguintes proporções, em peso: 100 de areia para 20 de argila e 4 de água.

Na imagem 1, é mostrado a preparação da montagem da caixa inferior de moldagem e na imagem 2 é mostrado a caixa superior já encaixada na caixa inferior.

               Imagem 1 – Montagem da caixa inferior                                 

Fonte: Própria

Imagem 2 – Montagem da caixa superior

Fonte: Própria

Durante a desmoldagem da caixa, para a retirada do modelo, ocorreram alguns problemas, entre eles: A quebra de alguns corpos dos rebites e o desmoronamento da areia, conforme mostrado na Imagem 3. Isso deve-se a fragilidade do material utilizado para fabricar o modelo e a necessidade de maior quantidade de argila para permitir maior consistência da areia verde.

Imagem 3 – Desmoldagem da caixa para a remoção do modelo.

Fonte: Própria

Portanto, algumas medidas foram tomadas para solucionar tais problemas, entre eles: Foi cortado o corpo dos rebites que estavam montados em árvore e foi acrescentado mais argila para aumentar a consistência da areia.

Na imagem 4, é mostrado a caixa inferior de moldagem, utilizando como modelo somente o corpo dos rebites e não mais o rebite em árvores. A superfície da caixa inferior foi recoberta com talco para facilitar na separação das caixas, evitando que areia da caixa inferior entrasse em contato com a areia da caixa superior. Na Imagem 5, é mostrado a montagem da caixa superior após a abertura dos canais de alimentação.

            Imagem 4 -  Caixa inferior                       

Fonte: Própria

Imagem 5 – Molde com abertura do canal de alimentação

Fonte: Própria

Após a abertura do canal de alimentação, deu-se início a etapa de vazamento do metal líquido (Imagem 6).

Imagem 6 – Vazamento do alumínio no molde de areia.

Fonte: Própria

Essa etapa consistiu no enchimento do molde com o alumínio fundido, conforme mostrado no Vídeo abaixo e que após solidificado possuirá as dimensões do rebite projetado.

Após a solidificação da peça dentro do molde (Imagem 7) , ocorreu a sua remoção para a obtenção da peça que ainda não era a final, pois era necessário a remoção dos canais de alimentação.

Imagem 7 – Peça solidificada e pronta para desmoldagem.

Fonte: Própria

 Após a retirada dos canais foram obtidos os rebites mostrados na Imagem 8.

Imagem 8 – Rebites obtidos após a retirada dos canais de alimentação.

Fonte: Própria

Verbete Nº 7

Juntas rebitadas / Riveted joints. São elementos amplamente utilizados em diversos setores da indústria para a produção de uniões fixas entre dois ou mais componentes. Esse tipo de junta apresenta certas vantagens sobre outros tipos de uniões, como por exemplo: melhor resistência térmica e melhor desempenho sob esforços de cisalhamento. Exemplo:  Na indústria aeronáutica, as juntas rebitadas são empregadas em diversas partes das aeronaves, como asas, fuselagem, entre outras. / They are widely used in various industry sectors for the production of fixed joints between two or more components. This type of joint has certain advantages over other types of joints, for example: better thermal resistance and better performance under shear stresses. Exemple: In the aeronautical industry, riveted joints are used in various parts of the aircraft, such as wings, fuselage, among others.

Image 1 – Riveted joint

Source: Own

Quality Assurance of Rivet Joint with Metal Process Rivets

Visual Inspection

Visually the rivets through the metal mold (Figure 1) were extremely satisfactory. Due to the contact surface with the smooth and regular cast aluminum of the mold the surface finish of the final part was excellent presenting few irregularities.

In addition, due to the consistency of the positioning of the mold aided by guide pins and its high precision of manufacture by machining in the CNC milling machine, there were almost no burrs.

Figure 1 - Rivets made by metallic mold

Source: Own

           Dimensional Inspection

However, they were not satisfactory in the dimensional aspect. Due to the need to heat the metal mold prior to initiating the process in order to retard the solidification of the aluminum due to the heat exchange, the expansion of the rivet wells was stronger than the contraction of the aluminum during solidification (disregarded in the design of the mold having in mind the very dilation thereof)

This resulted in rivets considerably larger than expected, with growths of up to 7% in diameter. This defect altered the design of the riveted joint since the holes for the rivets, before 7 mm, had to be increased to 7.5 mm, changing the mechanical resistance of the same.

In addition to the dimensional defect due to dilatation, the lack of a massalote for the mold has resulted in occasional small, undesirable rebuttals for the final result of the joint.

Análise de Qualidade dos rebites fabricados pelo molde metálico

Inspeção visual

Visualmente os rebites pelo molde metálico (Figura 1) foram extremamente satisfatórios. Devido a superfície de contato com o alumínio fundido lisa e regular do molde o acabamento superficial da peça final foi ótimo apresentando poucas irregularidades.

Além disso, devido a consistência do posicionamento do molde auxiliado por pinos-guia e sua alta precisão de fabricação por usinagem na fresadora CNC, quase não houve rebarbas.

Figura 1 - Rebites feitos pelo molde metálico

Fonte: Própria

      Inspeção dimensional

Entretanto, os mesmos não foram satisfatórios no quesito dimensional. Devido à necessidade de aquecer o molde metálico antes de dar início ao processo a fim de retardar a solidificação do alumínio por conta da troca de calor, a dilatação sofrida pelas cavidades dos rebites foi mais contundente que a contração do alumínio durante solidificação (desconsiderada no projeto do molde tendo em mente a própria dilatação do mesmo).

Isso resultou em rebites consideravelmente maiores que o esperado, com crescimentos de até 7% no diâmetro. Este defeito alterou o projeto da junta rebitada já que os furos para os rebites, antes de 7 mm, precisaram ser incrementados para 7.5 mm, alterando a resistência mecânica da mesma.

Além do defeito dimensional devido a dilatação, a falta de um massalote para o molde resultou em ocasionais rechupes, que apesar de pequenos, são inconvenientes para o resultado final da junta.

Rivets Manufacturing Stage - Metal Mold

During the afternoon of today, the manufacturing process of the rivets was obtained, obtained by the casting using a bipartite metal mold. The video below shows the casting stage of the molten liquid metal in the metal mold.

Unlike the casting step of the green sand process, the mold had to be heated using a blowtorch to prevent the aluminum from solidifying very fast due to the heat exchange of the mold with the molten metal. In Figure 1 the metal mold is shown after the pouring step.

Figure 1 – Spilled Aluminum 

Source: Own

After demoulding the rivets, its deburring was carried out. This procedure is performed when the part reaches temperatures close to those of the environment. The final result obtained is shown in Figure 2.

Figure 2 - Finished Rivets

Source: Own