blocos padrão

Capítulo 2
BLOCOS PADRÃO
2.1 GENERALIDADES
2.1.1 Definição
Blocos padrão são padrões de comprimento ou ângulo, corporificados através de
duas faces específicas de um bloco, ditas “faces de medição”, sendo que estas faces
apresentam uma planicidade que tem a propriedades de se aderir à outra superfície de
mesma qualidade, por atração molecular.
A característica marcante destes padrões está associada aos pequenos erros de
comprimento, em geral de décimos ou até centésimos de micrometros ( µm ), que são
obtidos no processo de fabricação dos mesmos. Em função disto, pode-se afirmar que os
Blocos Padrão exercem papel importante como padrões de comprimento em todos os
nível da Metrologia Dimensional.
2.1.2 Tipos
Quanto à forma da seção transversal do bloco, esta pode ser quadrada, retangular
ou circular (figura 2.1). Os blocos de secção quadrada ou circular podem ou não ser
furados no centro.
As dimensões dos blocos de secção quadrada são normalizados pela norma GGGG-15, norma americana. A grande vantagem destes blocos é a estabilidade
proporcionada pela forma da secção quando o mesmo é utilizada na posição vertical.
No brasil praticamente não se utilizam este tipo de bloco.
As dimensões dos blocos de secção retangular são normalizadas pela norma ISO
3650 e outras. Os blocos maiores de 100 mm apresentam furos em cada extremidade,
cuja finalidade é permitir a montagem de um dispositivo que garanta a união de uma
composição formada por dois ou mais blocos.
2.1.3 Fabricação
a) Material
Os blocos padrão são fabricados em aço liga, metal duro, cerâmica, entre outros. Para
os blocos em aço, quando for exigida uma alta resistência ao desgaste, as superfícies de
medição podem ser protegidas por dois blocos protetores, fabricados de metal duro
( carbonetos sinterizados).
Como o aço tem tendência de alterar o seu volume com o decorrer do tempo, a
estabilidade dimensional dos blocos padrão pode ser significativamente afetada. Para
minimizar este fenômeno usa-se liga que tenha uma boa estabilidade dimensional.
1
Na figura 2.2 é apresentado o resultado de calibração de blocos padrão entre 1970 e
1991, realizados no PTB, órgão primário em metrologia na Alemanha. Os blocos padrão
calibrados, de comprimento 24,5 , 30 , 80 e 100 mm, nunca foram utilizados em
processos de medição. Observa-se que dois blocos, o de 100 e 30 mm, apresentavam
comprimento de valor próximo a 0,5 µm durante este período. Observa-se também que
esta alteração ocorreu distintamente para cada bloco. Os blocos de 100 e 80 mm
tiveram alteração de comprimento positiva e os de 30 e 24,5 mm tiveram alteração de
comprimento negativa, isto é, reduziram seus comprimentos. Um bloco seria considerado
estável caso seu comportamento fosse próximo daquele do exemplo da figura 2.1, isto é,
as variações de comprimento são insignificantes e oscilam em torna da linha zero.
As variações de comprimento permitidas para cada bloco a cada ano, são em geral
especificadas nas normas técnicas, como por exemplo a norma DIN 861.
Os fabricantes de Bloco Padrão em cerâmicas a base de zircônio afirmam que este
efeito é significativamente menor nestes blocos, como veremos adiante.
É importante que se tenha conhecimento do coeficiente de expansão térmica do
material e do módulo de elasticidade a fim de que, quando usado em medições
criteriosas, os correspondentes erros possam ser compensados.
b) Processo
Para os blocos de aço até cerca de 100 mm de comprimento, eles são inteiramente
temperados. Nos comprimentos maiores apenas os extremos são endurecidos.
Para realizar o alívio de tensões, aplicam-se diversos processos de “envelhecimento
artificial” de acordo com a composição química do aço utilizado.
O elevado grau de acabamento das superfícies de medição é obtido através de
lapidação fina, que assegura grau de planicidade e ao mesmo tempo, uma rugosidade
baixíssima das mesmas.
2.1.4 Normas e Fabricantes
Relaciona-se a seguir algumas normas e recomendações técnicas referentes a
definição, tipos e uso de blocos padrão.
Alemã
Francesa
Inglesa
Suíça
Japonesa
: DIN 861, DIN 2260
VDE/VDI 2605 (Blocos Padrão angulares)
: NF E 11-010
: BS 4311 (Blocos Padrão de seção retangular)
BS 5317 (Blocos Padrão de seção circular, “barras”) e
NPL SPECIFICATION MOY/SCMI/1B (Blocos Padrão angulares).
: VSM 57100
: JIS B 7506
2
Americana
Internacional
: GGG-G-15
: ISO 3650
Como principais fabricantes no mundo citam-se: CARL ZEISS, KOBA, MITUTOYO,
KURODA, MATRIX, STARRETT-WEBBER, CEJ, MAHR, TESA, etc.
Figura 2.1: Tipos de Blocos Padrão (BP).
Figura 2.2: Alteração do Comprimento de Blocos Padrão.
3
2.1.5 Apresentação – Jogos
A fim de alcançar um bom aproveitamento dos blocos padrão, estes são reunidos em
jogos que se diferem entre si pelos seguintes fatores: mínimo escalonamento, faixa que o
escalonamento abrange número de peças que os constituem.
Estes jogos consistem de várias séries dimensionais ( sub-grupos de dimensões).
Partindo de base 1,000 mm, existem séries dimensionais em milésimos de mm (1,001 até
1,009), centésimos (1,01 até 1,09), décimos, etc. Os jogos mais usuais são padronizados
pela DIN 2260. Um jogo de blocos padrão bastante usado é o chamado jogo normal,
denominado jogo “N”. Compõe-se de 45 peças que formam 5 séries
dimensionais conforme consta na figura 2.3. O jogo permite compor qualquer dimensão
entre 3 103 mm com escalonamento de 0,001 mm.
Fora dos limites mencionados, o jogo permite a realização de algumas medidas
(porém, não todas) com o escalonamento indicado. Não se pode compor, por exemplo,
as medidas 1,011, ..., 1,019. Outra limitação é que para a composição de medidas fora
dos limites é necessário juntar maior número de blocos padrão, do que o previsto pela
norma, o que resulta na introdução de maiores erros.
2.2 ASPECTOS OPERACIONAIS
2.2.1 Recomendações de Utilização
Enorme cuidado é tomado pelo fabricante de um jogo de blocos padrão: na seleção
do material, na retificação, no tratamento térmico, nos processos de lapidação, na
inspeção, na gravação das inscrições e números, na calibração e na embalagem dos
mesmos.
Mesmo os Blocos Padrão de grau 2 (DIN 861), usados nas oficinas, devem ser
manuseados por pessoal experiente a fim de que em pouco tempo os blocos não estejam
desgastados. Alem disto, o operador deve:
-
Evitar o aparecimento de oxidações nas superfícies de medição resultante de
umidade, agentes corrosivos, etc. Para isto é necessário que após cada dia de
trabalho os blocos sejam limpos com benzina ou similar e untados com uma camada
de vaselina. Este material de limpeza deve ser de preferência de uso exclusivo dos
blocos padrão.
-
Usar pinças de madeira ou plástico para manipular blocos pequenos.
-
Evitar usar os blocos em superfícies oxidadas, ásperas ou sujas.
-
Evitar a todo custo um coque mecânico (queda, batida com outro sólido). Mas
ocorrendo, deve-se examinar ambas as faces de medição, usando um plano ótico, a
4
fim de verificar se há amassamentos (deformações permanentes) que prejudicarão a
aderência e a própria planicidade de outros colocados em contato.
-
Evitar a atuação de radiação térmica, campos magnéticos e elétricos.
-
Manter em suas respectivos embalagens quando não usados.
-
Evitar de deixar os blocos padrão aderidos por muito tempo.
Todas as recomendações citadas devem ser mais rigorosas quanto melhor for a
classe de erro do Bloco Padrão.
2.2.2 Composição de Blocos Padrão
É muito comum na indústria, ser necessário a utilização de comprimento padrão não
disponíveis diretamente através de um bloco, sendo necessário a combinação de duas ou
mais peças.
As superfícies de medição de blocos padrão (em função de sua elevada planicidade e
acabamento superficial) aderem uma à outra (“colam-se”) quando se ajustam
progressivamente entre si, através do deslizamento e leve pressão. Para obter esta
aderência é indispensável (além do bom estado das superfícies sem riscos, batidos,
amassamentos, etc, mesmo que mínimos) que não fiquem quaisquer partículas estranhas
( pós, por exemplo), entre as superfícies em questão. Recomenda-se o seguinte
procedimento: as superfícies devem ser primeiramente limpas com benzina retificada ou
similar, eliminando-se graxa velha oxidada e pó. Aplica-se, em seguida, uma quantidade
mínima de vaselina pura, especial, que espalha-se com pano limpo. Procedendo desta
maneira, a superfície do bloco padrão fica limpa (brilhante) sendo coberta apenas por
um filme mínimo (invisível) de vaselina. Uma vez preparadas as superfícies
correspondentes de dois blocos a serem aderidos, os mesmos são justapostos com os
eixos maiores de seção transversal inicialmente perpendiculares entre si, de acordo como
é apresentado na figura 2.4a , usando-se um certo movimento relativo deslizante no
sentido da flecha. Por giro e leve pressão (figura 2.4b) ambas as superfícies são levadas a
uma superposição completa (figura 2.4c) ligando-se entre si por adesão entre as
moléculas dos dois blocos e ficando “aderidas” (coladas).
2.2.3 Acessórios
Os blocos, principalmente os de trabalho, nem sempre são usados isoladamente.
Em conjunto com outros acessórios podem ter diversas funções (figura 2.5).
-
Base: é útil quando se utilizar blocos grandes sem que haja o perigo de tombarem.
Junto com outros acessórios pode formas um graminho de precisão.
Porta blocos: serve para manter vários blocos aderidos em conjunto com blocos de
transferência.
Blocos de transferência: há vários tipos que junto com o porta blocos cria uma gama
de instrumentos: graminho, calibrador de roscas internas, etc.
5
-
Blocos protetores: são Blocos Padrão de metal duro aderidos à superfícies extremas
de blocos padrão comuns, quando estes estiverem sendo usados em meio hostil, isto
é, provocando desgaste.
Conjunto Especial
Série
Conjunto Standard ( Normal )
Blocos
Escalonamento
dimensões
Série
Blocos
número
1
2
9
49
1,001 até 1,009
1,01 até 1,49
0,001
0,01
1
2
9
9
1,001 até 1,009
1,01 até 1,09
0,001
0,01
3
19
0,5 até 9,5
0,5
3
9
1,1 até 1,9
0,1
4
9
10 até 90
10
4
9
1 até 9
1
5
9
10 até 90
10
Conjunto
Standard
Conjunto
Especial
1,005
1,08
1,9
3
90
96,985
a
b
dimensões
Conjunto Standard
( 2ª combinação )
1,002
1,003
1,03
1,05
1,1
1,8
40
50
96,985
1,005
1,48
4,5
90
96,985
Dimensões
b
dimensional número
Escalonamento
dimensional
a
Comprimento
dos blocos
Medida
de 0,5 até 10,1
30
de 10,1 até 1000
35
b
Tolerância
+0
-0,3
Medida
9
Tolerância
-0,05
-0,2
Figura 2.3: Padronização de BP.
Figura 2.4: Colagem de Blocos Padrão.
6
2.3 DEFINIÇÃO DE COMPRIMENTO DE UM BLOCO PADRÃO E ERROS
2.3.1 Comprimento de um Bloco Padrão
“O comprimento de um bloco padrão de superfícies plano-paralelas é igual ao
afastamento entre duas superfícies planas de medição das quais uma é a superfície de
um corpo auxiliar na qual o bloco padrão está inteiramente ligado por uma das suas
faces e a outra é a face livre do bloco padrão”. As premissas são:
-
o bloco padrão não está solicitado mecanicamente de maneira alguma que poderia
provocar variação de comprimento;
o corpo auxiliar é do mesmo material e com a qualidade (e textura) da superfície
igual às do bloco padrão;
a ligação entre o bloco padrão e o corpo auxiliar é feita da mesma maneira como
descrito para ligação de blocos padrão entre si, sendo excluídos expressamente
quaisquer meios que poderiam favorecer a adesão.
Por outro lado, conta-se com um filme “infinitesimal” de lubrificante entre as
superfícies de medição, como ocorre no uso normal de blocos padrão justapostos.
Os blocos padrão são executados e medidos quanto ao comprimento que
corporificam, bem como quanto a sua forma geométrica: planicidade, paralelismo e o
grau de acabamento das suas superfícies de medição.
2.3.2 Caracterização dos Erros
Os parâmetros mais importantes que caracterizam metrologicamente os blocos padrão
são o erro do meio e a constância de afastamento (paralelismo e planicidade
associadas).
a) Erro do meio (Em)
O erro do meio é a diferença entre o comprimento efetivo do bloco padrão na região
central (Lm), e o comprimento nominal (Ln), (figura 2.6).
Em = Lm – Ln
b) Constância de Afastamento (CA)
É a combinação dos erros de paralelismo e planicidade, e corresponde a diferença
entre o maior e o menor comprimento entre as faces do bloco padrão, quando medido
nos quatro cantos e no centro. É caracterizada na figura 2.6 como sendo a soma do
desvio positivo (D.pos. = comprimento máximo menos o comprimento do meio) com
desvio negativo
(D.neg. = comprimento do meio menos o comprimento mínimo).
Assim:
CA = Lmax - Lmin
7
Figura 2.5: Acessórios de Blocos Padrão.
Figura 2.6: Erros de Blocos Padrão.
8
2.4 AS CLASSES DE ERRO E SUAS APLICAÇÕES
Pela norma DIN 861 e ISO 3650 os blocos são classificados quanto ao erro do meio e
constância de afastamento em cinco classes de erro, a saber: 00, K, 0, 1 e 2. O máximo
erro admitido em cada uma das classes (tolerância de fabricação) é dado em função do
comprimento, conforme pode ser observado na tabela figura 2.7.
A seleção da classe de erro depende da finalidade para a qual o bloco padrão se
destina.
Pode-se adotar as seguintes recomendações:
-
Classe de erro 00 – especialmente indicada como padrão de referência em
laboratórios de Secundários de Metrologia (laboratórios credenciados na RBC, por
exemplo). É usada na calibração de blocos padrão com classe de erro 0, 1 e 2 pelo
método diferencial de medição (método de comparação).
-
Classe de erro K – apresenta a mesma tolerância de constância de afastamento da
classe “00”, porém tolerâncias no comprimento (Em) iguais ao da classe 1. A
principal vantagem em ralação a classe ”00” é o custo mais baixo com a mesma
qualidade metrológica, já que os erros do meio (Em) são corrigidos durante a sua
utilização.
-
Classe de erro 0 – para altas exigências, em medições criteriosas no ajuste de
máquinas de medição, em medições diferenciais criteriosas durante a qualificação
de padrões e calibradores quando se exige pequena incerteza de medição. É a
classe de erro utilizada como referência para calibração de blocos da classe 1 e 2.
O uso é restrito, quase que exclusivamente para laboratórios de metrologia
dimensional.
-
Classe de erro 1 – usa-se para as mesmas finalidades acima, porém, onde as
tolerâncias não são tão rígidas, por exemplo, no posto central de controle de
qualidade da fábrica.
-
Classe de erro 2 – para uso geral, ajuste de instrumentos convencionais, medições
diferenciais onde o nível de tolerância não é apertado.
Quanto a sua aplicação (não quanto à classe de erro) os blocos padrão classificamse em:
-
blocos padrão de trabalho
blocos de verificação
blocos de comparação
blocos de referência
Em geral, a classe superior (exemplo, referência) serve como padrão para calibrar e
controlar classes imediatamente inferior (exemplo, comparação).
9
Os blocos padrão de trabalho, já que são usados no nível de oficina, entram em
contato com superfícies relativamente ásperas, e sofrem por isso uma forte solicitação de
desgaste. É indispensável uma calibração dos blocos padrão em intervalos de tempos
definidos, dependendo da intensidade de uso.
Os blocos de referência, por outro lado, devido ao pouco freqüente, limitado aos
casos de grande importância (calibração) sofrem desgaste mínimo e conservam suas
características metrológicas por períodos prolongados de tempo.
Em laboratórios de metrologia é imprescindível a existência de padrões de referência,
que são blocos padrão com certificados de calibração nos quais são indicados os erros
do meio e constância ser recalibrados.
2.5 ERRO DE UMA COMPOSIÇÃO DE BLOCOS
O erro ∆L de uma composição de blocos padrão calcula-se a partir dos erros do
meio (Em) dos blocos padrão que formam a composição do comprimento em questão.
Como exemplo, analisar-se-á o erro da composição os comprimento de 138,345 mm,
composta dos blocos padrão de classe de erro 1, de acordo com a primeira coluna da
tabela 2.1.
COLUNA 1 COLUNA 2 COLUNA 3 COLUNA 4 COLUNA 5 COLUNA 6
Comprimento
Erros
Erros
Quadrados dos
2/3 do erro
Quadrados dos
dos blocos
individualmente
máximos
erros máximos
máximo
valores da
padrão na
composição
medidos (dados
de calibração)
permitidos
permitidos
permitido
coluna 5
(mm)
(µm)
1,005
1,04
1,3
5
40
90
+ 0,20
- 0,18
- 0,15
- 0,20
+ 0,32
+ 0,48
138,345
+ 0,47
(µm)
± 0,20
± 0,20
± 0,21
± 0,22
± 0,36
± 0,56
± 1,75
(µm)
0,04
0,04
0,04
0,05
0,13
0,31
0,61
± 0,133
± 0,133
± 0,140
± 0,147
± 0,240
± 0,373
± 1,166
0,018
0,018
0,020
0,022
0,058
0,140
0,276
Tabela 2.1 – Avaliação dos erros de um comprimento formado com blocos padrão classe
de erro 1.
Se o erro Em, em cada um dos blocos padrão usados na composição é realmente
conhecido (fixado, por exemplo, pela medição comparativa, ou seja, através de
calibração, com um jogo de blocos padrão da classe de erro K), o erro da composição é
obtido como uma soma algébrica simples dos erros individuais dos blocos. Os erros dos
blocos padrão, individualmente estabelecidos em uma operação de calibração,
encontram-se, junto com os sinais reais, na Segunda coluna da tabela, sendo o erro da
composição igual à soma algébrica dos mesmos, ou seja, DL = +0,47 mm.
10
Se os erros individuais não são conhecidos, utiliza-se para avaliação do erro da
composição os desvios admissíveis de cada bloco padrão, de acordo com a norma e a
sua classe de erro. Na terceira coluna da tabela, tem-se os erros admissíveis dos blocos
para classe de erro 1. A soma dos valores positivos (negativos) dá o valor máximo
positivo (negativo) do erro da composição. Este valor máximo poderia ocorrer quando na
composição todos os blocos tivessem o máximo erro permitido e, mais ainda, todos com
o mesmo sinal. Já que isto é muito pouco provável, O erro assim estabelecido não tem
sentido prático.
De acordo com a teoria de erros usa-se pois, a fórmula:
2
∆L = ± E M2 1 ± E M2 2 ± ... ± E Mn
onde:
EM1 ... EM2 são erros máximos permitidos. Os quadrados destes erros encontram-se na
quarta coluna da tabela, sendo a soma dos mesmos igual a 0,61. Ao se usar a fórmula
lembrada, obtém-se para o erro da composição:
∆L = ± 0,61 = ±0,78 = ±0,8µm
Como o procedimento que melhor corresponde à realidade, recomenda-se às vezes,
calcular o erro não com os desvios máximos como constam na terceira coluna da tabela,
mas com apenas 2/3 destes valores. Os valores respectivos podem ser apreciados na
quinta coluna da tabela e os quadrados dos mesmos na sexta coluna, resultando nas
somas 1,166 e 0,276 respectivamente. O erro da composição é pois,
∆L = ± 0,276 = ±0,53 = ±0,5µm
Para o cálculo informativo rápido pode-se usar a seguinte fórmula aproximada que
dispensa o cálculo moroso com quadrados e raiz quadrada.
1 2 n
∆L = ±  ... .∑ EM i
 2 3  i =1
Ao se substituir nesta fórmula as somas obtidas nas colunas terceira
respectivamente, obtém-se, como erro da composição os valores
e quarta,
 1 2
∆L1 = ± ... .1,75 = ±(0,9até1, 2)µm
 2 3
1 2
∆L2 = ± ... .1,166 = ± (0,6até 0,8)µm
2 3
11
2.6 BLOCOS PADRÃO DE CERÂMICA
Estes blocos padrão são fabricados com um tipo de cerâmica cujo componente base é
o ZIRCÔNIO, que é um dos materiais mais duráveis encontrados até hoje.
A seguir serão apresentadas as características mais importantes destes padrões, sempre
fazendo-se um paralelo com os blocos fabricados em aço e em metal duro.
Chama-se a atenção para o fato de que somente os resultados que serão descritos
adiante foram divulgados pelos fabricantes destes padrões. Somente o tempo poderá
confirmar integralmente as vantagens destes padrões em relação aos tradicionais blocos
padrão de aço.
2.6.1 Resistência a Corrosão
Os blocos padrão cerâmicos são totalmente imunes ao ataque de agentes corrosivos.
É uma grande vantagem, principalmente em função do contato constante destes padrões
com o suor humano. Em função disto, estes blocos dispensam tratamento anti-corrosivos
ou outros cuidados de armazenamento.
2.6.2 Resistência à Abrasão
E resistência à abrasão dos blocos cerâmicos é de cinco a dez vezes maior do que os
fabricados em aço e de quatro a cinco vezes maior de que os fabricados em metal duro.
Esta superioridade dos blocos cerâmicos é devido ao seu baixo coeficiente de atrito e
também à sua densa e homogênea estrutura granular.
Na figura 2.8 é apresentado o resultado da perda de material devido a abrasão para
blocos de diferentes materiais. Cada bloco foi carregado igualmente e friccionado com
movimentos circulares sobre um desempeno de ferro fundido (DIN-1693-77).
2.6.3 Estabilidade Dimensional
Diferente dos blocos fabricados em aço, os blocos não apresentam variação
dimensional significativa no decorrer do tempo. A figura 2.9a mostra comparativamente
as variações dimensionais de um bloco cerâmico de 100 mm (após a sinterização) e as
de um bloco de aço, também de 100 mm, após seu tratamento térmico.
2.6.4 Coeficiente de Expansão Térmica, Módulo de Elasticidade, Dureza e
Condutibilidade Térmica
Na figura 2.10 são apresentadas as principais propriedades físicas e mecânicas dos
blocos padrão de cerâmica, aço e metal duro.
Em função da proximidade entre os coeficientes de expansão térmica da cerâmica a
base de zircônio e o aço, os blocos padrão de cerâmica podem ser usados normalmente
12
como padrão de comprimento para medir peças em aço, o que constitui mais uma
vantagem para o uso destes últimos.
O fator de condutibilidade térmica da cerâmica é relativamente baixa comparada ao do
aço, o que significa dizer que o bloco cerâmico necessita o dobro do tempo,
comparativamente ao aço, para alcançar a temperatura ambiente (equilíbrio térmico). No
entanto, em algumas situações isto poderá se tornar tão rapidamente devido as
mudanças da temperatura ambiente, comparada ao sue similar de aço.
O tempo necessário para a estabilização térmica dos blocos de cerâmica depende das
condições ambientais, do comprimento do bloco, bem como da diferença inicial de
temperatura entre o bloco e o ambiente. Na figura 2.9b é apresentado o resultado da
estabilização térmica de dois blocos de 100 mm, um de aço e outro de cerâmica, que
foram segurados na mão durante três minutos e a seguir suas variações dimensionais
foram medidas.
Valores dos erros em µm
00
0
1
2
K
Comprimento
nominal
Em
CA
Em
CA
Em
CA
Em
CA
Em
CA
mm
de
até
±
-10
10
10
10
25
25
0,06
0,07
0,05
0,05
0,12
0,14
±
0,10
0,10
0,20
0,30
±
0,16
0,16
0,45
0,60
±
0,30
0,30
0,20
0,30
±
0,05
0,05
25
25
50
50
50
50
75
75
0,10
0,12
0,06
0,06
0,20
0,25
0,10
0,12
0,40
0,50
0,18
0,18
0,80
1,00
0,30
0,35
0,40
0,50
0,06
0,06
75
75
100
100
100
100
150
150
0,14
0,20
0,07
0,08
0,30
0,40
0,12
0,14
0,60
0,80
0,20
0,20
1,20
1,60
0,35
0,40
0,60
0,80
0,07
0,08
150
150
200
200
200
200
250
250
0,25
0,30
0,09
0,10
0,50
0,60
0,16
0,16
1,00
1,20
0,25
0,25
2,00
2,40
0,40
0,45
1,00
1,20
0,09
0,10
250
250
300
300
300
300
400
400
0,35
0,45
0,10
0,12
0,70
0,90
0,18
0,20
1,40
1,80
0,25
0,30
2,80
3,60
0,50
0,50
1,40
1,80
0,10
0,12
400
400
500
500
500
500
600
600
0,50
0,60
0,14
0,16
1,10
1,30
0,25
0,25
2,20
2,60
0,35
0,40
4,40
5,00
0,60
0,70
2,20
2,60
0,14
0,16
600
600
700
700
700
700
800
800
0,70
0,80
0,18
0,20
1,50
1,70
0,30
0,30
3,00
3,40
0,45
0,50
6,00
6,50
0,70
0,80
3,00
3,40
0,18
0,20
800
800
900
900
900
900
1000
1000
0,90
1,00
0,20
0,25
1,90
2.00
0,35
0,40
3,80
4,20
0,50
0,60
7,50
8,00
0,90
1.00
3,80
4,20
0,20
0,25
Figura 2.7: Tolerâncias para Blocos Padrão segundo a norma DIN 861.
2.6.5 Aderência das Superfícies
Devido ao alto grau de uniformidade e densidade de sua estrutura granular, a
superfície dos blocos cerâmicos se auto aderem com a mesma facilidade dos blocos
padrão de aço em estado de novo. A força requerida para desmontagem de blocos
cerâmicos é aproximadamente 30% superior àquela necessária para desmontagem de
blocos de aço.
13
Figura 2.8: Blocos Padrão de Cerâmica: Resistência à abrasão.
Para ilustrar a eficiência das superfícies destes blocos , apresentamos a seguir os
resultados da composição dos comprimentos de 20 mm e 41 mm, através da montagem
de dois blocos, de 10 mm dois blocos de 20,5 mm, respectivamente.
Foram medidos os erros do meio de cada bloco utilizado. A soma dos erros de cada
par de blocos foram utilizados como referência para determinar o erro nominal da
composição.
Após montagem dos blocos (10 e 10mm / 20,5 e 20,5 mm), cada uma delas foi
também medida na posição central. O erro resultante da montagem foi calculado pela
diferença entre o erro do meio efetivo da montagem e a soma dos erros individuais de
cada bloco como apresentado na tabela 2.2.
Comprimento nominal dos blocos (mm)
Erro do meio de cada bloco (µm)
10
10
20,5
20,5
+0,24
+0,26
+0,21
+0,25
Soma dos erros individuais (µm)
(erro do comprimento nominal de montagem)
Erro do meio efetivo da montagem (µm)
+0,50
+0,46
+0,47
+0,48
Erro resultante da montagem (µm)
+0,03
+0,02
Tabela 2.2 – Erros resultantes da montagem de blocos cerâmicos.
Os resultados apresentados mostram que os erros da composição de um comprimento
pela aderência (montagem) de blocos cerâmicos é insignificante.
14
Figura 2.9: Blocos Padrão de Cerâmica: Estabilidade Térmica e Dimemsional.
2.6.6 Resistência Mecânica a Impactos
São altamente resistentes a quedas ou impactos em uso normal.
Os erros devidos às deformações superficiais provocadas por impactos ou rebarbas são
totalmente desprezíveis e facilmente removíveis.
MATERIAL
AÇO
PROPRIEDADE
CERÂMICA
(ZrO2)
Dureza (HV)
1350
800
1650
10 ± 1
11,5 ± 1
5
2,1
2,1
6,3
0,00293
0,0544
0,0795
Coeficiente de
Expansão Térmica
(10-6 K-1)
Módulo de
Elasticidade
(x 105 N/mm2)
Fator de
Condutibilidade
Térmica (J/mm.s.K)
METAL DURO
Figura 2.10: Blocos Padrão: Propriedades Físicas e Mecânicas.
15
2.6.7 Gravações
Em função de serem realizadas por um processo de laser, as gravações do
comprimento e do número de fabricação permanecem claras e nítidas durante um longo
tempo (praticamente toda vida útil do bloco), ao contrário do que acontece com seu
similar de aço que é sensível à corrosão.
2.7 MÉTODOS DE CALIBRAÇÃO DE BLOCOS PADRÃO
2.7.1 Método Diferencial
É o método mais simples e rápido para medir o erro do meio (Em) e a constância de
afastamento (CA).
No caso do Em, a calibração consiste em comparar um bloco com outro de classe de
erro superior, denominado de bloco de referência. Para este conjunto (referência) os erros
do meio são determinados através de calibração, que são executadas por laboratórios
credenciados. Conhecendo-se os erros do padrão de referência, os erros do bloco a
calibrar podem ser determinados.
Na figura 2.12 temos uma bancada de calibração de blocos padrão. Através de
medição diferencial, chega-se ao erro do meio do bloco a calibrar pela expressão:
Ec = Xc – ( Xp – Ep )
Sendo: Ec = Erro do meio do bloco a calibrar
Ep = Erro do meio do bloco de referência
Xp = Medida obtida no bloco à calibrar
Xc = Medida obtida no bloco de referência
Já no caso da constância de afastamento (CA), mede-se o comprimento do bloco
padrão em 5 posições ( figura 2.11). O erro de CA é a diferença entre o comprimento
máximo e mínimo determinados. Portanto, para sua determinação não é necessário a
utilização do bloco padrão de referência.
A fim de tornar a calibração mais rápida e confiável, o CERTI e o LABMETRO
desenvolveram um sistema automatizado de calibração de blocos padrão pelo método
diferencial.
Este sistema automatizado reduz o tempo de medição e confere confiabilidade à
calibração de blocos padrão de comprimento, orienta o operador durante o processo de
medição, realiza aquisição de dados, processa-os, compensa erros e gera documentação
dos resultados (certificado de calibração).
A calibração realizada tradicionalmente de forma manual, implica em:
-
Registro manual dos valores das medições em planilhas;
16
-
Processamento e comparação das medições de forma manual;
Documentação externa e manual.
Este sistema automatizado tem como funções:
-
Receber os dados nominais dos blocos padrão;
Orientar e supervisionar o procedimento de medição;
Efetuar automaticamente as leituras;
Processar as leituras conforme uma metodologia adequada;
Apresentar os resultados.
As características deste sistema são:
-
-
-
Compensação do erro sistemático do bloco padrão de referência, correções de
comprimento devidos aos diferentes coeficientes de expansão térmica, bem como
erros de achatamento devido à diferença de material entre os blocos (referência e a
calibrar), permitindo que o trabalho de calibração tenha menor incerteza de medição
aumentando a confiabilidade dos resultados;
Emissão de relatórios apresentando:
. erros do meio;
. desvios máximo e mínimo;
. constância de afastamento;
. classe de erro, segundo norma pré-definida, na qual o bloco padrão se enquadra
em função dos erros medidos;
Pequena interferência do operador no processo de medição, não exigindo maior
especialização do mesmo, pois o sotware é extremamente simples de ser operado;
Importante economia de tempo, comparativamente ao processo manual;
Criação de uma base de dados diferenciada por cada conjunto de bloco padrão
calibrado.
Figura 2.11: Método Diferencial.
17
2.7.2 Método Interferométrico
a) Medição do Erro de Planicidade
A planicidade das superfícies de medição é verificada utilizando-se o efeito de
interferência luminosa. Sobre a superfície do bloco padrão coloca-se um plano óptico
(placa de vidro altamente plana). De acordo com o caráter de desvios da planicidade
aparecem diversos padrões de franjas de interferência. Na figura 2.12a, tem-se a
configuração de franjas correspondente a uma superfície convexa. Na figura 2.12b, a
superfície é cilíndrica, e com um defeito (risco) local. Na figura 2.12c, tem-se um padrão
de franjas bom: sendo poucas, é claro que a inclinação não é grande e além disso, o
paralelismo e retilineidade das franjas prova a planicidade. As extremidades quebradas
das franjas correspondem a uma faixa marginal de largura de 1 mm no máximo, que
representa uma região de segurança que não pode ser usada para a medição. A figura
2.12d mostra a superfície levemente convexa. Ao se usar a luz monocromática, cujo
comprimento de onda (λ) é conhecido (por exemplo cor amarelo-laranja de sódio tem λ
= 0,575 µm), uma distância entre franjas que corresponde a diferença em altura dos
referidos lugares em λ /2 pode ser calculada numericamente. Assim, na figura 2.12d, o
afastamento entre os pontos 1 e 2 na direção ortogonal ao plano óptico é λ /2 ( no caso
da luz de sódio acima lembrada), o afastamento é (0,28 µm) e a distância entre os
pontos 1 e 3 é dois terços da distância entre as franjas vizinhas, ou seja:
( 2/3 ) . ( λ/2 ) = λ/3= 0,19 µm
Esta medição pode ser realizada através de um sistema completamente automatizado,
sem contato para medição de planicidade de superfícies altamente planas. Foi
inicialmente idealizado para medição de planicidade de blocos padrão, porém com
pequenas variações pode ser expendido para medição de paralelismo, ortogonalidade, e
constância de afastamento e possivelmente com aplicações em superfícies não planas,
tais como superfícies esféricas, cilíndricas e outras.
Este sistema utiliza um laser de HeNe e se baseia em princípios interferométricos e tem
a particular vantagem de não envolver componentes ópticos de precisão, uma vez que
aberrações ópticas são identificadas e corrigidas por software.
Os erros de repetitividade deste sistema podem chegar a 0,01 µm (figura 2.13).
b) Medição do erro do Meio
Para verificação do Erro do meio do blocos padrão (essencialmente os de classes de
erro 00 e K) utiliza-se a interferência luminosa. No processo trabalha-se com um sistema
padrão de medição baseado no comprimento de onda de um luz monocromática. O erro
máximo deste sistema padrão é de ± (0,02+L/5000) µm, ou seja, um valor quase
metade de um casa decimal melhor que o erro máximo no bloco padrão.
18
Figura 2.12: Controle da Superfície de Medição de Bloco Padrão.
Figura 2.13: Medição Automatizada da Planicidade.
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