Repositório UNIFEI UNIFEI - Campus 1: Itajubá PPG - Programas de Pós Graduação Teses
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Tipo: Tese
Título: Otimização das condições de corte e simulação da confiabilidade da ferramenta no torneamento do aço ABNT 52100 Endurecido
Autor(es): SOUZA, Luiz Gustavo Paes de
Primeiro Orientador: FERREIRA, João Roberto
metadata.dc.contributor.advisor-co1: PAIVA, Anderson Paulo de
Resumo: A usinagem em altas velocidades é reconhecida como uma das principais tecnologias de fabricação para alcançar maiores taxas de produtividade e custos reduzidos. Nesse contexto, a otimização das condições de corte emerge como uma alternativa para a sua viabilização. Adicionalmente, várias estratégias de otimização da rugosidade têm sido propostas na área do torneamento duro. No entanto, embora os efeitos do desgaste da ferramenta sobre a rugosidade da peça podem ser conhecidos, esse efeito é negligenciado pela maioria das estratégias propostas. Consequentemente, a capacidade do processo de reproduzir na prática o resultado da solução ótima é adversamente afetada, pois a rugosidade das peças usinadas por uma mesma aresta de corte desvia de seu valor esperado com a progressão do desgaste. Complementarmente, a análise da confiabilidade das ferramentas de corte na usinagem é fundamental para decidir o momento adequado para substituí-las, evitando a sua troca precoce ou tardia. Considerando os cenários apresentados, o presente trabalho propõe uma estratégia de otimização multiobjetivo para a maximização da vida da ferramenta e minimização do desvio aritmético médio (Ra), do tempo de corte, do tempo e custo total de usinagem para a avaliação do desempenho da ferramenta de cerâmica mista durante o torneamento a seco do aço rolamento ABNT 52100 endurecido, sob altas velocidades de corte. A Metodologia de Superfície de Resposta foi utilizada para obtenção dos modelos quadráticos das respostas avaliadas. O efeito do desgaste da ferramenta sobre Ra foi estabelecido durante os ensaios de vida. Como resultado, definiu-se o momento do estado da ferramenta que gera os maiores valores de Ra, os quais corresponderam os valores de rugosidade obtido com a condição experimental. A redução da dimensionalidade do problema multiobjetivo foi realizada por meio da Análise Fatorial. Os escores dos fatores rotacionados mantidos na análise foram utilizados para obter as funções do Erro Quadrático Médio dos Fatores, os quais representaram as funções objetivos da otimização. A otimização multiobjetivo foi realizada por meio da aplicação do método de Interseção Normal a Fronteira. Os setups ótimos definidos pela otimização foram capazes de alcançar valores de Ra entre 0,28 a 1,05 μm, vida entre 11 a 19 min, tempo de corte de 0,23 a 0,41 min, tempo total de usinagem de 0,91 a 1,10 min, e custo de usinagem por peça entre R$3,55 a 5,01. A variância da vida da ferramenta foi obtida aplicando a regressão de Poisson ao quadrado dos resíduos do modelo obtido pelo método dos Mínimos Quadrados Ordinários. Adicionalmente, foi proposto um método econômico para a simulação da confiabilidade da ferramenta de corte para viabilizar a sua aplicação. De posse da média e da variância da vida, os parâmetros de forma (β) e de escala (δ) da distribuição de Weibull são estimados por meio de um método simples de otimização com restrição proposto. Experimentos de confirmação foram realizados, os quais validaram a eficácia da otimização e da simulação da confiabilidade da ferramenta.
Abstract: High-Speed Machining is recognized as one of the leading manufacturing technologies for achieving higher productivity rates and reduced production costs. In this context, optimizing cutting conditions emerges as an alternative to make it viable. Additionally, several strategies for optimizing surface roughness have been proposed in field hard turning. However, although the effects of tool wear on the surface roughness of the workpiece can be understood, this effect is often neglected by most of the strategies proposed. Consequently, the ability of the process to reproduce the results of the optimal solution in practice is negatively affected, since the surface roughness of parts machined with the same cutting edge deviates from the expected value as wear progresses. Additionally, analyzing the reliability of cutting tools in machining is essential for determining the appropriate time to replace them, thereby avoiding premature or delayed tool changes. Considering the presented scenarios, this study proposes a multi-objective optimization strategy aimed at maximizing tool life and minimizing surface roughness Ra, cutting time, and the total machining time and cost. This strategy is applied to evaluate the performance of a mixed ceramic tool during the dry turning of hardened ABNT 52100 bearing steel at high cutting speeds. Response Surface Methodology was used to obtain quadratic models for the evaluated responses. The effect of tool wear on surface roughness Ra was established during the tool life tests. As a result, the tool condition that generates the highest Ra values was identified, corresponding to the roughness values obtained under the experimental conditions. Dimensionality reduction of the multi-objective problem was achieved using Factor Analysis. The scores of the rotated factors retained in the analysis were used to derive the Mean Squared Error functions of the factors, which served as the objective functions for optimization. Multi-objective optimization was performed using the Normal Boundary Intersection method. The optimal setups defined by the optimization were able to achieve surface roughness Ra values between 0.28 and 1.05 μm, tool life between 11 and 19 minutes, cutting time ranging from 0.23 to 0.41 minutes, total machining time between 0.91 and 1.10 minutes, and machining cost per piece between R$3.55 and R$5.01. The variance of the tool's lifetime was obtained by applying Poisson regression to the square residuals of the model derived using ordinary least squares. In addition, a cost-effective method was proposed to simulate the tool's reliability to make its application viable. With the mean and variance of the tool life, the shape (β) and scale (δ) parameters of the Weibull distribution were estimated using a simple optimization method proposed with constraints. Confirmation experiments were conducted, which validated the effectiveness of the optimization and the tool reliability simulation.
Palavras-chave: Torneamento duro
Altas velocidades de corte
Otimização multiobjetivo
Confiabilidade da ferramenta
Qualidade da peça usinada
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE PRODUÇÃO
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Itajubá
Sigla da Instituição: UNIFEI
metadata.dc.publisher.department: IEPG - Instituto de Engenharia de Produção e Gestão
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação: Doutorado - Engenharia de Produção
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/4144
Data do documento: 22-Ago-2024
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