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8/20/2019 Selecção do melhor material para as molas de um motor de combustão interna
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UNIVERSIDADE DE COIMBRA
FACULDADE DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
CASO DE ESTUDO( MOLAS PARA V)LVULAS DE MOTORES DE
COMBUST*O INTERNA
André Silva Jacinto | Estudante nº 2011171254
Cláudio Alexandre Berenuer Silva | Estudante nº 201115!"02
TRABALHO NO ÂMBITO DA UNIDADE CURRICULAR DE SELEC+*O DE
MATERIAIS E PROCESSOS DE FABRICO
,ANEIRO DE -./0
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1ndi#e
Introdução..........................................................................................................................3
Análise de Mercado e Alternativas....................................................................................4
Alternativas a considerar...............................................................................................4
Análise de Mercado.......................................................................................................6
Definição dos Requisitos...................................................................................................9
Abordae! a seuir........................................................................................................."2
Definição do ob#etivo e de $ar%!etros........................................................................"2
Material Inde&............................................................................................................."4
'r()seleção......................................................................................................................."6
Definição dos !el*ores !ateriais..............................................................................."6
Materiais a estudar......................................................................................................."+
'ro$riedades dos !ateriais a estudar..........................................................................."9
'ro#eto do co!$onente....................................................................................................2"
,eleção do 'rocesso de -abrico......................................................................................24
ta$as do $rocesso......................................................................................................24
,eleção dos $rocessos..................................................................................................24
/ustos 'rocesso de -abrico.............................................................................................26
sti!ativa dos custos dos $rocessos...........................................................................26
/álculo do custo final do $roduto...............................................................................30
Matri1es de seleção..........................................................................................................3"
/onclusão........................................................................................................................34
-ontes..............................................................................................................................3
ibliorafia..................................................................................................................3
ebrafia.....................................................................................................................3
,eleção de Materiais e 'rocessos de -abricoDiscentes5 Andr( acinto
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In2rod$34o
7! dos as$etos !ais i!$ortantes $ara arantir o bo! dese!$en*o e cu!$ri!ento dos
requisitos de qualquer ob#eto8 be! ou co!$onente ( o !aterial ou !ateriais que o constitue!.
Assi! u! bo! $ro#eto $assa8 ta!b(!8 $or selecionar correta!ente os !ateriais tendo se!$re
e! conta as condiçes de utili1ação e fatores co!o o custo final e o te!$o de vida $revisto
$ara o $roduto.
:a unidade curricular de ,eleção de Materiais e 'rocessos de -abrico8 fora!
a$resentados conceitos e !(todos de seleção8 que se $retende! aora consolidar e a$licar
nu! caso de estudo5 seleção do !el*or !aterial $ara as !olas das válvulas de u! !otor de
co!bustão interna.
; $resente relat
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An5%ise de Mer#ado e A%2erna2ivas
Alternativas a considerar
:u! !otor de co!bustão interna8 o que se $retende das !olas e! estudo ( que
$er!ita! o correto funciona!ento das válvulas e! todo o rei!e de utili1ação do !otor8
assi! co!o asseurar a correta vedação das !es!as na devida fase do ciclo de
funciona!ento dos !otores.
A solução !ais co!u! na indstria auto!
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Figura 2- Mola helicoidal dupla
• ,iste!as $neu!áticos B-iura 3C
Dentro dos !otores de elevada $erfor!ance8 as !olas *elicoidais8 se#a! elas si!$les
ou at( !es!o du$las8 $ode! revelar)se inca$a1es de e&ecutar o !ovi!ento de retrocesso das
válvulas nu! $er=odo de te!$o suficiente!ente redu1ido8 ra1ão $ela qual $ode vir a e&istir
interfer>ncia das válvulas co! os $istes.
'ara evitar este $roble!a8 desenvolvera!)se8 e! !eados dos anos F08 os siste!as $neu!áticos8 que consiste! na substituição das !olas $or c%!aras $ressuri1adas
Bnor!al!ente co! a1otoC e !antidas a $ressão constante de !odo $rovocar o !ovi!ento de
retrocesso das válvulas.
Figura 3- Sistema pneumático para o fecho das válvulas
• ,iste!as des!odr
;s siste!as des!odr
As válvulas são fec*adas $or u! siste!a !ec%nico id>ntico ao usado na sua abertura8 isto (5
e&iste! e¢ricidades na árvore de ca!es que e! contacto co! os balancins $ro!ove!8
al(! da abertura8 o fec*o das válvulas.
:o entanto8 na !aioria das soluçes que usa! este siste!a e&iste u!a !ola ? torção no ei&o
dos balancins. sta serve $ara criar alu!a $r()tensão e !anter as válvulas fec*adas.
A$esar de ser !ais co!$le&o e !ais $esado8 este siste!a arante u!a !el*or $recisão
e ra$ide18 es$ecial!ente til $ara rotaçes !ais elevadas. Al(! disso $er!ite! variar !ais
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facil!ente aluns $ar%!etros Bao lono do rei!e do !otorC $ara a oti!i1ação da
$erfor!ance.
Figura - Sistema desmodr!mico
Dado que a a$licação das !olas8 no nosso caso de estudo8 será nu! convencional
auto!
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! casos !ais es$ec=ficos8 no!eada!ente e! !otores !ais rotativos8 devido ?s
!aiores solicitaçes e te!$eraturas de serviço a que as !olas estarão su#eitas8 verifica)se a
utili1ação de !ateriais co!o lias de Hit%nio ou :=quel8 $or(! os custos nor!al!ente não
co!$ensa! a sua a$licação e! !otores de a$licação eral.
Figura "- #iferentes solu$%es de materiais
uanto ?s di!enses8 estas estarão forte!ente de$endentes da arquitetura do !otor e!
si8 no!eada!ente de $ar%!etros co!o a $r()tensão de instalação $retendida8 abertura da
válvula8 entre outros. :o caso do di%!etro do ara!e da !ola8 este irá de$ender do !aterial
e! si8 co!o se irá ver !ais ? frente.
:o que di1 res$eito ao fabrico de !olas $ara válvulas de !otores de co!bustão interna8
os $rocessos utili1ados8 inde$endente!ente da a$licação do co!$onente8 redu1e!)se a u!a
nica escol*a8 co!$osta $or várias eta$as5 stirae! do ara!e BJire draJinC8 enrola!ento e
corte feito nu!a !áquina auto!ática Bs$rin coilin !ac*ineC. 'osterior!ente ( nor!al
fa1er)se o acaba!ento das e&tre!idades da !ola e u! trata!ento su$erficial.
Dentro dos diversos ti$os de acaba!ento das e&tre!idades8 te!os as e&tre!idades
abertas8 e&tre!idades fec*adas8 e&tre!idades abertas e retificadas e e&tre!idades fec*adas e
retificadas B-iura 68 res$etiva!ente da esquerda $ara a direitaC.
Devido ? eo!etria requerida $ara a instalação da !ola8 o acaba!ento !ais utili1ado (
de e&tre!idades abertas e retificadas8 obtido atrav(s u! $rocesso de retificação das
e&tre!idades.
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Figura 6- &ipos de aca'amento das estrimidades
'or fi!8 e&iste! diversos trata!entos que $ode! ser a$licados ?s !olas. ; !ais
vanta#oso ( o K,*ot 'eeninL Branal*ae!C8 que $er!ite8 indu1indo tenses su$erficiais nos
co!$onentes8 !el*orar as suas $ro$riedades !ec%nicas8 sendo de destacar o au!ento da
resist>ncia ? fadia.
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De6ini34o dos Re7$isi2os
De for!a a definir correta!ente os requisitos !ais i!$ortantes $ara u! co!$onente8 (
necessário con*ecer o ti$o de solicitaçes a que este estará su#eito e! serviço.
As !olas $ara as válvulas de u! !otor de co!bustão interna estão su#eitas a diferentes
solicitaçes de$endendo do ti$o e da a$licação do !otor. 'or e&e!$lo5 as !olas das válvulas
de u! !otor de u!a !ota B-iura +C estarão su#eitas a !ais ciclos8 devido ? !aior
rotatividade desteN $or outro lado8 u! !otor diesel B-iura FC de randes di!enses e&iirá
u! esforço !aior ?s !olas8 $or(! co! u! !enor nO de ciclos.
Figura (-Motor mota )*prilia +S, Figura .- Motor diesel 'ai/a rota$o )aterpillar
Assi!8 o $ri!eiro $asso será es$ecificar o ti$o de !otor e! que estarão a$licadas8
tendo to!ado a o$ção de fa1er a seleção $ara u! !otor de !(dia ca$acidade de u!
auto!
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Ha!b(! se fa1 refer>ncia ?s $ro$riedades ou $ar%!etros de que os requisitos $ossa
de$ender.
&a'ela 1- 5mportância dos reuisitos
Requisito 'ro$riedades e $ar%!etros relacionados I!$ort%ncia-orça elevada σmax N N dN u!a& N σced Resist>ncia ? fadia σf N σamp Resist>ncia ? te!$eratura HserviçoN 3Dissi$ação de calor λ 2/usto final /!aterialN /fabrico 2
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A!orda'e a se'$ir
Defnição do objetivo e de parâmetros
Hendo sido definidos8 anterior!ente8 os requisitos8 o seundo $asso $assa $or
estabelecer o nosso ob#etivo8 de for!a a encontrar o =ndice de $erfor!ance do !aterial.
Assi! nesta a$licação8 tal co!o na eneralidade das a$licaçes das !olas8 o ob#etivo (
!a&i!i1ar a eneria ar!a1enada $or unidade de defor!ação8 ou se#a !a&i!i1ar o $roduto da
força $ela defor!ação.
E necessário ainda avaliar quais são os $ar%!etros con*ecidos e quais são os que
de$ende! direta!ente do !aterial8 estabelecendo valores realistas $ara os $ri!eiros e
encontrando funçes $ara os restantes.
As di!enses são todas con*ecidas ? e&ceção do di%!etro que de$ende do !aterial.
,endo que8 a$ncia $lástica e ? fadia8
isto (5 a tensão !á&i!a atinida Bσmax) deve ser inferior ? tenção de ced>ncia Bσced) e a
a!$litude de tensão Bσamp) deve ser inferior ? tensão li!ite de fadia Bσf ). A$esar do ciclo
caracter=stico não ser sinusoidal8 u!a a$ro&i!ação $ode ser vista na fiura "".
Al(! desta verificação o valor do di%!etro obtido deve situar)se entre 3!! e 6!!8
$ois corres$onde! aos valores li!ite nor!ais neste ti$o de a$licação.
Figura 11- iclo de fadiga com pr7-tenso
A defor!ação total Bu!a&C vai ser a so!a do valor da defor!ação de $r( tensão Bu $r()tensãoC8
co! u! valor fi&o corres$ondente ? abertura !á&i!a das válvulas BuválvulasC.
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A defor!ação de $r()tensão te! que arantir u!a força !=ni!a de 200:8 sendo assi!
$oss=vel encontrar o di%!etro !=ni!o das !olas $ara u!a dada defor!ação.
nquanto a defor!ação de abertura das válvulas ( necessaria!ente u! valor fi&o8 na
defor!ação de $r()tensão e&iste alu!a liberdade8 $ois esta defor!ação ( i!$osta na
!ontae! e $ode)se au!entar ou di!inuir confor!e se $retenda au!entar a força de $r(tensão.
:o entanto8 esta defor!ação na $rática está li!itada a u! intervalo de valores
de$endentes do !otor8 di!enses da !ola etcQ assi!8 a dada altura8 terá de se atribuir u!
valor fi&o ? defor!ação de $r( tensão8 de for!a a se $oder deter!inar o di%!etro da !ola. ;
valor a atribuir deverá ser realista e arantir a força !=ni!a $ara u! di%!etro dentro dos
valores $retendidos.
:a tabela seuinte B2C a$resenta!)se os valores con*ecidos e os intervalos $ara os
valores ainda a definir e na fiura "2 $ode ver)se a que di!enses corres$onde! os valores
a$resentados
&a'ela 2- 8'etivo e 9arâmetros a cumprir
;b#etivo Ma&i!i1ar a eneria ar!a1enada $or unidade de defor!ação.Defor!ação u!a& u $r()tensãoS uválvulas N uválvulas2!! N 2!! Tu $r()tensãoT 6!!
/o!$ri!ento U00!!Raio
R"2!! ¿
Da
2+ Di
2
2
:O es$iras n Di%!etro 3!!TdT6!!- !=ni!a - $r()tensão 200:
Figura 12- #imens%es da mola
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Material Index
Hendo e! conta os requisitos #á estabelecidos8 $retende)se aora deter!inar o =ndice de
$erfor!ance do !aterial que nos irá $er!itir identificar os !el*ores !ateriais $ara a nossa
a$licação.
Assi!8 o ob#etivo de u!a !ola ( ar!a1enar eneria $ara a libertar $osterior!ente sobre
a for!a de u!a força e i!$ondo u! desloca!ento. /o!o tal8 $ara !a&i!i1ar a eneria8
quere!os !a&i!i1ar o $roduto da força $elo desloca!ento.
A eneria ar!a1enada ( dada $or5
n VW-WXVW-Wu B"C
'ela e&$ressão anterior B"C8 !a&i!i1ando a força eYou a defor!ação8 !a&i!i1a)se a
eneria ar!a1enada. Mas a defor!ação não $ode ser !a&i!i1ada indefinida!ente e8 !ais ?
frente8 terá de se atribu=r u! valor fi&o8 $elo que será u! $ar%!etro con*ecido.
uanto ? força8 dada $ela equação B2C8 $ode ser !a&i!i1ada. :o entanto8 ( necessário
ter e! conta os dois requisitos !ais i!$ortantes5 não *aver ced>ncia $lástica e não ocorrer
fal*a $or fadia.
Hendo isto e! conta8 nesta abordae!8 ao substituir)se Z8 o$tou)se $or utili1ar a tensão
de ced>ncia na deter!inação do =ndice do !aterial e $osterior!ente na $r( seleção i!$or u!li!ite !=ni!o $ara a tensão li!ite de fadia do !aterial.
3[Wd WZ- B2C
32WR
Assi! substituindo a equação B2C e! B"C obt(!)se a equação B3C5
3
cn
[Wd WZ VW Wu B3C
32WR
:a equação B3C8 #á se con*ece! todos os $ar%!etros ? e&ceção do di%!etro do ara!e8
que irá de$ender do !aterial8 tendo e! conta a defor!ação de $r()tensão a definir.
/onsequente!ente ( necessário encontrar u!a e&$ressão $ara o di%!etro8 que $ode ser obtida
a $artir da e&$ressão que nos dá a defor!ação B4C.
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3
4
64W-WR Wnu B4C
Wd
:a e&$ressão B4C volta a a$arecer a força8 que não ( con*ecida. E necessário8 antes de
resolver e! orde! ao di%!etro8 substituir B2C e! B4C8 obtendo a equação BC $ara a
defor!ação.
33c
2
c
4
[Wd WZ64W WR Wn
32WR 2W[WZWR Wnu BC
Wd Wd
÷
E aora $oss=vel8 a $artir de BC8 encontrar u!a e&$ressão $ara o di%!etro5
2 2
c c2W[WZWR Wn 2W[WZWR Wnu d B6CWd Wu
⇒
,ubstituindo a e&$ressão do di%!etro B6C na equação B3C e si!$lificando5
2
c
3
c
n
4
n 3
4
2
3
[W WZ VW Wu B
2W[WZWR Wn
Wu
ZW
+C32WR
VW[ W BFC
4W
n
u
R
Wc
÷
÷
; =ndice do !aterial8 que se $retende !a&i!i1ar8 na nossa a$licação (
3
4
c Z
M
÷
.
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Pr8"se%e34o
Defnição dos melhores materiais
'ara $oder filtrar a nossa seleção a$enas a aluns !ateriais ( necessário i!$or alu!as
restriçes.
/o!o na deter!inação do =ndice do !aterial se usou a tensão de ced>ncia8 ( aora
necessário ter e! conta os $oss=veis $roble!as de fadia.
A a!$litude de tensão8 co!o se $ode ver na fiura ""8 de$ende da tensão !=ni!a Bde
$r()tensãoC e da tensão !á&i!a. :o entanto8 a tensão !á&i!a não irá ser sinificativa!ente
su$erior ? tensão !=ni!a B$ois a defor!ação de abertura das válvulas ( relativa!ente
$equenaC.
Ainda assi!8 de for!a a evitar $or co!$leto este $roble!a8 considerou)se que os
!ateriais t>! que ter u!a tensão li!ite de fadia su$erior a 400M'a.
Al(! dessa restrição introdu1ida no li!ite8 introdu1ira!)se todas as restriçes #á
con*ecidas5 a te!$eratura de serviço !á&i!a de8 no !=ni!o8 200O/ e o !aterial ser u! bo!
condutor t(r!ico.
'or lti!o8 considerou)se que se iria usar necessaria!ente u! !etal8 $ois neste ti$o de
a$licaçes outro ti$o de !ateriais não se revela! boas soluçes. De u!a for!a eral8 os $ol=!eros ou co!$! $roble!as co! a te!$eratura8 e os
cer%!icos são !ateriais fráeis.
A$licando estas restriçes e fa1endo u! ráfico co! o =ndice do !aterial8 no n=vel 2 do
$rora!a /, du'ac@8 c*eou)se ?s fa!=lias de !ateriais que consta! na fiura "3.
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Figura 13- Fam:lias de materiais poss:veis para as molas das válvulas de um motor de com'usto
/o!o esta seleção ainda enloba u! elevado n!ero de !ateriais8 $ois aluns
corres$onde! a fa!=lias de !ateriais8 va!os restrinir a seleção ?s duas fa!=lias que se
a$resenta! co!o u!a !el*or solução Blias de base de :=quel e lias de aço de bai&o teor
e! /arbonoC8 que coincide! co! os !ateriais ti$ica!ente usados na a$licação $retendida.
Materiais a estudar
Hendo sido #á definidas as !el*ores fa!=lias de !ateriais $ara esta a$licação8 $assou)se
$ara o n=vel 3 do $rora!a /, du'ac@8 onde se !antivera! as !es!as restriçes e se
deli!itou os resultados a$enas ?s duas fa!=lias anterior!ente referidas.
Mes!o assi!8 o n!ero de resultados $oss=veis era de!asiado elevado Bna orde! das
duas centenas de !ateriaisC.
'or esse !otivo8 fe1)se u!a análise !ulti$ara!(trica8 isto (5 de for!a a encontrar
!ateriais que de!onstrasse! u! bo! dese!$en*o e! si!ult%neo nos diferentes requisitos8fe1)se u! ráfico re$resentando o =ndice do !aterial e a condutividade t(r!ica8 e outro co! o
=ndice do !aterial e a tensão li!ite de fadia B-iuras "4 e "C.
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Figura 1- ;ráfico com :ndice do material e condutividade t7rmica
Figura 1"- ;ráfico com :ndice do material e tenso limite de fadiga
'osterior!ente8 dentro de cada ráfico8 $rocurou)se encontrar os !el*ores !ateriais e
cru1ara!)se os dados obtidos entre eles8 de !odo a escol*er os !ateriais e! co!u! e8 que ao
!es!o te!$o8 fosse! adequados $ara a $rodução de !olas BGer tabela 3C.
&a'ela 3- ru/C @ oi% 7$en#?edUoJ allo\ steel8 AI,I 0608 te!$ered at 42]/ ^ oil quenc*ed
Lo9 a%%o: s2ee%; ...M; 7$en#?ed @ 2eeredLo9 a%%o: s2ee%; ...M; 7$en#?ed @ 2eeredLo9 a%%o: s2ee%; AISI .B0.; 2eered a2 >/C @ oi% 7$en#?ed /Lo9 a%%o: s2ee%; AISI /0.; 2eered a2 >/C @ oi% 7$en#?ed -Lo9 a%%o: s2ee%; AISI -; 2eered a2 >/C @ oi% 7$en#?ed >UoJ allo\ steel8 D6A/8 quenc*ed ^ te!$eredNi#e%"!er:%%i$ a%%o:; A%%o: ==.; ?ard =
Ni#e%"!er:%%i$ a%%o:; A%%o: CR"/; #as2; annea%ed a'ed Ni#e%"!er:%%i$ a%%o:; A%%o: M --.C; #as2; annea%ed a'ed 0 :ic@el)/r)/o)Mo allo\8 Rene 4"8 Jire
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UoJ allo\ steel8 AI,I "308 te!$ered at 3"]/ ^ oil quenc*edUoJ allo\ steel8 AI,I "408 te!$ered at 3"]/ ^ oil quenc*edUoJ allo\ steel8 AI,I "08 te!$ered at 3"]/ ^ oil quenc*edLo9 a%%o: s2ee%; AISI /0.; 2eered a2 >/C @ oi% 7$en#?edUoJ allo\ steel8 AI,I "608 te!$ered at 42]/ ^ oil quenc*edUoJ allo\ steel8 AI,I "608 te!$ered at 42]/ ^ oil quenc*edUoJ allo\ steel8 AI,I 6"08 te!$ered at 3"]/ ^ oil quenc*edUoJ allo\ steel8 AI,I F"48 te!$ered at 3"]/ ^ oil quenc*ed
UoJ allo\ steel8 AI,I F6308 te!$ered at 3"]/ ^ oil quenc*edUoJ allo\ steel8 AI,I F6408 te!$ered at 3"]/ ^ oil quenc*edUoJ allo\ steel8 AI,I F608 te!$ered at 3"]/ ^ oil quenc*edUoJ allo\ steel8 AI,I F6608 te!$ered at 42]/ ^ oil quenc*edUoJ allo\ steel8 AI,I F648 te!$ered at 3"]/ ^ oil quenc*edUoJ allo\ steel8 AI,I F+408 te!$ered at 3"]/ ^ oil quenc*edLo9 a%%o: s2ee%; AISI -; 2eered a2 >/C @ oi% 7$en#?edUoJ allo\ steel8 AI,I 928 te!$ered at 42]/ ^ oil quenc*edUoJ allo\ steel8 AI,I 92608 te!$ered at 42]/ ^ oil quenc*edUoJ allo\ steel8 AI,I 94308 te!$ered at 3"]/ ^ oil quenc*edNi#e%"!er:%%i$ a%%o:; A%%o: ==.; ?ardNi#e%"!er:%%i$ a%%o:; A%%o: CR"/; #as2; annea%ed a'edNi#e%"!er:%%i$ a%%o:; A%%o: M --.C; #as2; annea%ed a'ed
Ueenda5A cor estão re$resentados todos os !ateriais e! co!u!.
A a$% es24o reresen2ados os a2eriais e #o$ 7$e se ir4o es2$dar<
A %arana es24o reresen2ados os a2eriais e #o$ as 7$e n4o 2& indi#a34o do $so e o%as
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3 "+9 6+9 290 4F8 +F0 0840F&0.9083+
F2
4 "3"0 +9 40 3"8+ FF00 428+&08+32803
++8
"2 6"28 40 3" F"9 084&08+3+8F0
6+8
6 "2 9 40 3" F"00 44&08+33800
+0
;s custos dos !ateriais fora! obtidos usando a !(dia dos valores encontrados na base
de dados do /, du'ac@ B20"4C8 $onderados $or u! fator de atuali1ação.
ste fator foi esti!ado co! base na evolução dos $reços dos !ateriais de base das lias
usadas.
Assi!8 $ara as lias de n=quel usou)se a evolução do $reço do n=quel8 re$resentada no
ráfico da fiura "68 onde se esti!ou u! fator de redução de 08+.
'ara as lias de aço analisou)se a evolução do $reço das lias de aço)!anan>s
B$rinci$al ele!ento nas lias e! estudoC8 re$resentada no ráfico da fiura "+8 esti!ando)se
u! fator de redução de 089.
Figura 16- =volu$o do pre$o do >:uel nos ?ltimos " anos
,eleção de Materiais e 'rocessos de -abricoDiscentes5 Andr( acinto
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21/372"
Figura 1(- =volu$o do pre$o de a$o com mangan@s nos ?ltimos " anos
:ota5
; ráfico da fiura "+ a$esar de di1er que se refere ao $reço do !anan>s refere)se8
seundo a fonte de infor!ação8 a aços co! !anan>s. ,endo retirado de u!a secção referente
a aços8 onde e&istia! outros $or e&e!$lo co! Ganádio ou /r
vários ele!entos.
,eleção de Materiais e 'rocessos de -abricoDiscentes5 Andr( acinto
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Proe2o do #oonen2e
:esta fase ( aora $oss=vel deter!inar o di%!etro do ara!e da !ola8 $ara cada u! dos
!ateriais e verificar se e&iste! $roble!as de fal*a $or ced>ncia $lástica ou $or fadia.
'ara definir o di%!etro do ara!e8 ( necessário atribuir u! valor ? defor!ação de $r()
tensão. Assi!8 va!os atribuir u! valor !(dio e realista8 verificar os resultados e decidir se (
!antido ou não.
-a1endo8 então8 $r()tensãou 4!!
8 a defor!ação !á&i!a fica ta!b(! definida e ( dada
$or5
!a& $r()tensão válvulas 4S26u u !!S u B9C
; di%!etro !=ni!o do ara!e ( deter!inado resolvendo a e&$ressão B4C e! orde! ao
di%!etro5
3 3
44
64W-WR Wn 64W-WR Wnu d B"0C
Wd Wu⇔
;nde - ( substitu=do $elo valor da força !=ni!a de $r()tensão e u ( substitu=do $elo
valor de $r()tensãou
.
:o caso do !aterial B"C8 se fi1er!os esta substituição te!os5
3
43
64W200W"2 Wd 4.3"!!
F0W"0 W4
,endo este o valor !=ni!o do di%!etro que arante a força de $r()tensão8 deve)se
arredondar o valor do di%!etro ? d(ci!a de !il=!etro su$erior.d4.4!!⇒
Assi!8 a força !á&i!a e !=ni!a calculadas a $artir do di%!etro #á corriido serão
dadas8 res$ectiva!ente8 $or5
,eleção de Materiais e 'rocessos de -abricoDiscentes5 Andr( acinto
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4
total!a& 3
4
$r()tensão
!in 3
Wd Wu- B""C
64WR Wn
Wd Wu- B"2C
64WR Wn
'ara o !es!o !aterial8 te!os5
3 4
!a& 3
3 4
!in 3
F0W"0 W4.4 W6- 32.36:
64W"2 W
F0W"0 W4 W6- 2"6.90:
64W"2 W
'ara calcular a tensão !á&i!a e !=ni!a su$ortada $ela !ola8 resolve)se a equação B2C
e! orde! ? tensão5
3
f 3
[Wd WZ -W32WR - Z B"4C
32WR[Wd⇒
/o!o tal8 $ara a tensão !á&i!a e !=ni!a te!)se8 res$ectiva!ente8 as e&$resses B"C e
B"6C5!a&
!a& 3
- W32WR Z B"C
[Wd
!in!in 3
- W32WR Z B"6C
[Wd
:ova!ente a t=tulo de e&e!$lo8 $ara o !aterial B"C5
!a& 3
32.36W32W"2Z 466.FM'a
[W4.4
!in 3
2"6.90W32W"2Z 3"".24M'a
[W4.4
'ara fa1er a verificação ? fadia8 te! de se ter e! conta a a!$litude de tensão dos
ciclos8 dada $or5
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!a& !ina!$
Z )ZZ B"+C
2
:o !aterial "8 a a!$litude dos ciclos (8 então5
a!$
466.F)3"".24Z ++.F"M'a
2
Re$etindo todo o $rocesso $ara os restantes !ateriais8 obt>!)se os seuintes resultados8
resu!idos na tabela .
; volu!e de !aterial foi obtido co! recurso a u! $rora!a de desen*o 3D BInventorC
onde se desen*ou o co!$onente e se retirou o seu volu!e B-iura "FC
&a'ela "- #iâmetroA For$as e &ens%es para cada material
Material
Dmin (mm)
Dcorr (mm)
Fmax (N)
Fmin (N)
σmax (MPa)
σmin (MPa)
σamp (MPa)
Volume(m3)
1 4.31 4.4 3!.3"
1".#$
4"".%! 311.4 &&.%1 !.4$!e'"
4.3$ 4.3 3$$.4%
$$.3
4"1.#! 3$&.#" &".## !.1"!e'"
3 4.# 4.3 3$4.1# $. 4"&."! 311.&& &&.#4 !.1"!e'"
4 4.34 4.4 31!.1#
1$.13
4!.& 3$1.!1 &!.3& !.4$!e'"
! 4.!$ 4.! 3$$.34
$$.3
4$.%" !%.!& "&.14 !."4#e'"
" 4.4" 4.! 311.4"
$&."4
41&.&% &%.! "#."3 !."4#e'"
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Figura 1.- Mola o'tida no 5nventor )dC"mm
A$ncia de fal*a $or ced>ncia $lástica ou
$or fadia $ara nen*u! dos !ateriais.
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Se%e34o do Pro#esso de Fa!ri#o
Etapas do processo
As !olas $ara válvulas de !otores de co!bustão são obtidas $or u!a s(rie de
$rocessos e! cadeia.
:u! $ri!eiro $rocesso ( dada a for!a final ao ara!e. ste $rocesso deve ser u!
$rocesso cont=nuo8 co!$at=vel co! o di%!etro $retendido e ao !es!o te!$o arantir que o
valor do di%!etro está dentro de u! intervalo de toler%ncia a$ertado.
; seundo $rocesso consiste e! enrolar o ara!e na for!a *elicoidal co! o raio
$retendido e cortá)lo de for!a a obter o co!$ri!ento estabelecido $ara a !ola.
&iste ainda u!a fase final que consiste e! dois $rocessos de acaba!ento. 7! consiste
e! desbastar as e&tre!idades da !ola8 $ara que esta $ossa encostar !el*or quando for
!ontada. ; outro $rocesso trata)se de u! trata!ento co! vista a arantir u!a !el*or
qualidade do $roduto final que8 quando i!$le!entado8 $rocura introdu1ir tenses residuais de
co!$ressão na su$erf=cie !el*orando as $ro$riedades !ec%nicas da !ola.
eleção dos processos
; $rocesso !ais i!$ortante será8 talve18 o $ri!eiro. ste ( que $er!ite obter a secção
circular do ara!e8 co! as di!enses e $recisão necessárias.
'ara encontrar o $rocesso !ais adequado recorreu)se ao $rora!a /, du'ac@
introdu1indo os seuintes li!ites5
• -or!a ` /ircular • a!a de es$essura da secção ` 3 a 6!!• Holer%ncia !á&i!a ` 0.0!! B/o!o se está a e&iir secçes co! u!a $recisão do
di%!etro at( ? d(ci!a de !il=!etro8 considerou)se este valor $ara a toler%ncia!á&i!aC
• ; $rocesso deve ser cont=nuo
Ale! disso verificou)se a co!$atibilidade co! cada u! dos !ateriais. ; nico
$rocesso que cu!$re todas estas i!$osiçes ( o de estirae! de fio.
; $rocesso envolvido na seunda eta$a ( u! $rocesso quase e&clusivo $ara o fabrico de
!olas e fa1 uso de u!a !áquina que enrola o ara!e anterior!ente estirado8 dando)l*e a
for!a $retendida8 e corta)o co! as di!enses estabelecidas.
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;s lti!os dois $rocessos não são obriat
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28/372F
C$s2os Pro#esso de Fa!ri#o
Estimativa dos custos dos processos
/o!o todo o $rocesso de fabrico ( id>ntico $ara qualquer u! dos !ateriais8 a nica
variável diferente ( o custo do !aterial. Ainda assi!8 não sendo necessária !uita $recisão8 vai
ser esti!ado o custo total de $rodução. ste $ode ser dado $ela e&$ressão B"FC5
t c!o*.
Jo
/ /!W/ "/ S S W S/ B"FC
")f n UWtn
÷
∑ ∑
;nde5/! ` custo $or @ de !aterial
/t ` custo das ferra!entas utili1adas
/c ` custo de ca$ital
/o* ` custos over*ead
U ` fator de cara
tJo ` te!$o de de$reciação
f ` fração $erdida de !aterial
! ` !assa de u!a unidade
n ` nO de $eças $rodu1idas
.
n ` ta&a de $rodução
Aluns dos $ar%!etros anteriores #á estão definidos8 co!o ( o caso do custo do !aterial
$ara cada u! dos !ateriais. ;utros8 a$
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; $rocesso $rinci$al não te! !uitas $erdas. A fração $erdida deve)se sobretudo ?
retificação final das e&tre!idades da !ola e a des$erd=cios de sobrasY$ontas a$ncia !ec%nica relativa!ente elevada e o
di%!etro ainda ( considerável8 esti!á!os u! investi!ento de 400 000 .
'ara o enrola!ento e corte de !olas8 os $reços dos equi$a!entos encontrados Bfiura2"C $ode! ir desde os 000 a 00 000 euros8 de$endendo do di%!etro do ara!e a dobrar e do
rau de auto!atis!o. Hendo e! conta a nossa a$licação e di%!etros fi&ou)se e! "60 000.
; equi$a!ento $ara o trata!ento de ranal*ae! Bfiura 23C varia! desde aluns
!il*ares a alu!as centenas de !il*ares de euros. /o!o os co!$onentes são relativa!ente
$equenos8 considera!os 20 000
As !áquinas de retificação Bfiura 22C ta!b(! $ode! c*ear a valores !uito elevados8
es$ecial!ente se fore! !uito auto!ati1adas e $rora!áveis. &iste! inclusive !áquinas
es$ec=ficas $ara !olas. /onsiderou)se u! investi!ento nu!a !áquina #á co! alu! rau de
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auto!ação e $rora!ável de for!a a !anter u!a ta&a de $rodução elevada8 corres$ondente a
40 000
Figura 20- =/emplo máuina de estiragem )para arame de a$o
Figura 21- Máuina de enrolamento e corte das molas
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Figura 22- Máuina para retifica$o de molas
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Figura 23- Máuina para o tratamento de DShot peeningD )adeuada para molas de válvulasA em'raiagemA etc
Antes de $rosseuir8 ( necessário calcular a !assa $ara cada u! dos !ateriais B$ela
e&$ressão "9C e8 inde$endente!ente dos !ateriais8 o co!$ri!ento do ara!e e! cada !ola
B$ela equação 20C8 $ois a ta&a de $rodução $ara a estirae! ( dada e! !etros.
Hodos estes valores estão resu!idos na tabela 6.
!GWb B"9C
2
G/o!$ri!ento do ara!e B20C
d
[ 2
÷
&a'ela 6- MassaA omprimento e usto do material
Material Massa da !ola B@C /o!$ri!ento do
ara!e $or !ola B!C
/! BY@C!
!W/
")f
BC" 080424
083
08"6&0890846
08023
2 08040 08393&089083 080"+3 08040 0840F&0.9
083+080"F
4 0804+6 428+&08+32803
"8+94
080463 084&08+3+8F0
2809
6 08046 44&08+33800
"8++0
,e considerar!os a$enas o $ri!eiro $rocesso Bestirae! do ara!eC8 utili1ando o
$rora!a /, du'ac@ B20"4C8 ( $oss=vel obter i!ediata!ente u!a esti!ativa dos custos.
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A$resentada8 $ara o !aterial "8 no ráfico da fiura 248 e onde se $ode verificar que
$ara o nosso nO de $eças o custo no final deste "O $rocesso seria de a$ro&i!ada!ente 0."0.
:o entanto8 o $rora!a não nos $er!ite obter tão facil!ente os custos de fabrico dos
outros $rocessos.
Assi! os valores indicados anterior!ente $ara os custos relacionados co! os $rocessosfora! esti!ados co! base e! aluns $reços de equi$a!entos encontrados online e $or
co!$aração8 $odendo ter erros sinificativos face ? realidade B!as que não interfere! co! a
escol*a do !aterialC.
Figura 2- ustos do processo de estiragem )=S =du9acE 201
!álculo do custo fnal do produto"
E8 aora8 $oss=vel esti!ar o custo lobal do $roduto final substituindo todos os valores
na equação B"FC.
'ara o !aterial " te!os5
0.0424W0.46 0000 " 620000/ S S W S200 0.+00
")0." 2000000 30 0.WW36W24
÷
∑
;s custos lobais de fabrico $ara cada u! dos !ateriais estão resu!idos na tabela +.
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&a'ela (- usto final de produ$o do componente para cada um dos materiais
Material /usto final de fabrico do co!$onente BC" 0.+002 0.694
3 0.694 2.4+" 2.+366 2.44F
Ma2ries de se%e34o
stando aora reunidas todas as condiçes $ara tal8 $ode)se $assar ? avaliação dos
diversos !ateriais $r()selecionados8 relativa!ente aos requisitos $retendidos8 construindo as
!atri1es de seleção./o!eçando $elas $ro$riedades dos !ateriais8 rande $arte das que ire!os $recisar #á
fora! a$resentadas na tabela 4. Al(! disso ? que #untar os valores corres$ondentes ? força
!á&i!a e ao custo total $or unidade de !ola $rodu1ida $ara cada u! dos !ateriais. Assi!
sento8 a tabela F está orani1ada de for!a a ter todos os dados necessários $ara se avançar na
seleção do !aterial.
&a'ela .- 9ropriedades ou parâmetros relacionadas com os reuisitos
Material -!a& B:C Zf BM'aC H B⁰/C BY!.⁰/C / BYunidC" 32.36 666 290 4 0.+002 300.4F 6948 290 448 0.6943 304."9 6+9 290 4F8 0.694 3"."9 +9 40 3"8+ 2.4+" 300.34 6"28 40 3" 2.+366 3"".46 9 40 3" 2.44F
-a1endo aora a $onderação das $ro$riedades5 $ara cada $ro$riedade8 consoante se
$retenda que o seu valor se#a !ais ou !enos elevado8 será atribu=do o valor K"L $ara a que
a$resente o valor !ais adequado8 e as restantes serão avaliadas e! relação a essa8 confor!e
está ilustrado na tabela 98 e! que a seta sinifica que se $retende o valor !ais alto $ara a
$ro$riedade e! questão8 e sinifica que se $retende o valor !ais bai&o.
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&a'ela - +anEing dos materiais
Material -!a& Zf H / "
32
32.36
.36"
60
66
+98F3F
20
90
4083+
40
4F8892F
0.694
0.+000899"
2 300.4F
32.3608924
6948
+908F+4
20
90
4083+
448
4F8089"F
0.6
0.694
94"
3 304."9
32.360893
60
+9
+98F4
20
90
4083+
4F
4F8
8"
0.694
0.6908999
4 3"."9
32.3608969
+9
+9"
40
40"
3"8+
4F8086
0.694
2.4+"082F"
300.34
32.36
089236"28
+908++0
40
40"
30
"
4F88639
0.694
2.+36
0824
6 3"".46
32.36089+
0
9
+98+4F
40
40"
30
"
4F88639
0.694
2.44F082F3
'osto isto8 e antes de se $roceder ? !atri1 final8 te! que ser calculada a i!$ort%ncia
relativa dos requisitos8 de !odo a que as $ro$riedades ten*a! o $eso res$etivo na seleção do
!aterial !ais adequado. Assi!8 a tabela "0 tradu1 a i!$ort%ncia relativa de cada u! dos
requisitos.
&a'ela 10- +anEing dos reuisitos
"Y2 "Y3 "Y4 "Y I!$ t BC-!a&
0
628
+"84
3
+"84
3
" 082
9Zf
0
" 082
9H 3+8
08
6
08"
F 2F8
+
08
4
08"
2/ 2F8
+
08
4
08"
2H;HAU 38
4
"
/o! isto8 $ode!os $roceder ? deter!inação do !el*or !aterial $ara esta a$licação8atrav(s da !atri1 final de seleção final8 a$resentada na tabela ""5
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&a'ela 11- Matri< final de sele$o
-!a& B:C Zf BM'aC H B⁰/C BY!.⁰/C / BYunidC H;HAUt BCg 0829 0829 08"F 08"2 08"2Material" " 08F3F 083+ 0892F 0899" 08F6
08290 08243 0809+ 08""" 08""92 08924 08F+4 083+ 089"F " 08F4F
0826F 0823 0809+ 08""0 08"203 0893 08F4 083+ " 08999 08F6
082+" 0824F 0809+ 08"20 08"204 $#"# 1 1 $"!!
$%1#$%&'
082F" 08290 08"F0 080+9 08034 $#3 $&&$ 1 $"3# $!4 $&&%
0826F 08223 08"F0 080++ 080306 $#!& $&4% 1 $"3# $%3 $&%"
082+F 082"+ 08"F0 080++ 08034
Atrav(s da !atri1 final de selecção8 deter!inou)se que o !aterial !ais adequado $ara a
nossa a$licação ( o KNi#e%"!er:%%i$ a%%o:; A%%o: ==.; ?ardJ. ,endo que as lias de aço
corres$ondentes a KUoJ allo\ steel8 AI,I 0608 te!$ered at 3"]/ ^ oil quenc*edL8 e KUoJ
allo\ steel8 AI,I 928 te!$ered at 3"]/ ^ oil quenc*edL tivera! resultados !uito
$ro&i!os.
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Con#%$s4o
:a !aioria das a$licaçes e&iste se!$re !ais de u! !aterial que $ode ser usado. 'ara
escol*er os !el*ores ( se!$re necessário ter e! conta aquilo que se $retende e as solicitaçes
a que o $roduto estará su#eito.
; !aterial selecionado vai de$ender forte!ente do que o $ro#etista Be outros
intervenientes no desenvolvi!ento do $rodutoC considerare! !ais i!$ortante8 sendo que o
$eso relativo a atribuir a cada u! dos requisitos e o ob#etivo considerado !ais i!$ortante vão
influenciar forte!ente o !aterial obtido no fi! do $rocesso de seleção. Hal fato leva a que
se#a $oss=vel obter !ateriais substancial!ente diferentes $ara o !es!o $roduto final.
:este caso de estudo $ode confir!ar)se essa forte de$end>ncia. Assi! ao definir)se
co!o a$licação u! auto!
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Fon2es
(iblio)rafa
• Micael F. *+,- Material+ election in Mecanical De+i/n (3rd edition)
0utterort'2einemann ($$!)• Materiai+ de apoio + aula+ Profe++or *l,ano *. . 5. De ar6alo e Profe++or
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