dc.creator |
VASCONCELOS, Guilherme Augusto Vilas Boas |
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dc.date.issued |
2025-07-07 |
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dc.identifier.citation |
VASCONCELOS, Guilherme Augusto Vilas Boas. Otimização robusta no processo de fresamento de topo do aço inoxidável duplex UNS S32205 por meio de aprendizagem de máquina. 2025. 157 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) – Universidade Federal de Itajubá, Itajubá, 2025. |
pt_BR |
dc.identifier.uri |
https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/4285 |
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dc.description.abstract |
The growing demand for energy efficiency and cost reduction in manufacturing processes
has driven the need for optimization in operations such as end milling, especially when machining
complex materials like duplex stainless steel UNS S32205. Although this material
exhibits excellent mechanical strength and corrosion resistance, it has low machinability
due to its tendency to work harden and its low thermal conductivity—factors that
compromise process stability and directly affect surface finish quality. In the end milling
of this steel, the precise definition of cutting parameters becomes even more challenging
due to the presence of noise variables inherent to the process. Given this complexity, the
application of machine learning models emerges as a promising approach, provided it is
combined with appropriate techniques to construct robust models, that is, models capable
of maintaining high predictive performance even in the presence of noise. This thesis
aims to develop and validate machine learning models for predicting surface roughness
(Ra) in the end milling of duplex stainless steel UNS S32205, simultaneously considering
control variables and noise variables. The experiments were conducted based on a
central composite design, combining the input variables (cutting speed, feed per tooth,
width of cut, and depth of cut) with noise variables (tool flank wear, fluid flow rate,
and tool overhang). The study applied the concept of robust parameter design, response
surface methodology, and machine learning techniques. The models used included Support
Vector Machines (SVM), Decision Tree Regressors (DTR), Random Forests (RF),
and Artificial Neural Networks (ANN). Performance evaluation metrics included RMSE,
MAE, MSE, and cross-validation using average R2. The ANN models showed the best
performance, with the 7-20-14-1 architecture standing out, achieving an R2 of 0.92, RMSE
of 0.06, and average R2 of 0.90 in surface roughness prediction. The ANN model was then
used as the objective function in an optimization process conducted using the Particle
Swarm Optimization (PSO) algorithm, aiming to identify cutting parameters that minimize
roughness. Confirmation experiments, performed using a Taguchi L9 array, validated
the obtained results, demonstrating that the selected machine learning model was effective
in simulating and optimizing the real behavior of the process. |
pt_BR |
dc.language |
por |
pt_BR |
dc.publisher |
Universidade Federal de Itajubá |
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dc.rights |
Acesso Aberto |
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dc.subject |
Inteligência artificial |
pt_BR |
dc.subject |
Rugosidade superficial |
pt_BR |
dc.subject |
Indústria 4.0 |
pt_BR |
dc.subject |
Redes neurais artificiais, |
pt_BR |
dc.subject |
PSO |
pt_BR |
dc.title |
Otimização robusta no processo de fresamento de topo do aço inoxidável duplex UNS S32205 por meio de aprendizagem de máquina |
pt_BR |
dc.type |
Tese |
pt_BR |
dc.date.available |
2025-09-19 |
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dc.date.available |
2025-09-19T17:51:49Z |
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dc.date.accessioned |
2025-09-19T17:51:49Z |
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dc.creator.Lattes |
http://lattes.cnpq.br/8922649967544135 |
pt_BR |
dc.contributor.advisor1 |
MELO, Mírian de Lourdes Noronha Motta |
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dc.contributor.advisor1Lattes |
http://lattes.cnpq.br/7222063849735570 |
pt_BR |
dc.contributor.advisor-co1 |
FRANCISCO, Matheus Brendon |
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dc.contributor.advisor-co1Lattes |
http://lattes.cnpq.br/8699242021339583 |
pt_BR |
dc.description.resumo |
A crescente busca por eficiência energética e redução de custos em processos de manufatura
tem impulsionado a necessidade de otimização em operações como o fresamento
de topo, sobretudo na usinagem de materiais complexos, como o aço inoxidável duplex
UNS S32205. Esse material, embora apresente excelente resistência mecânica e à corrosão,
possui baixa usinabilidade devido à sua tendência ao encruamento e à baixa condutividade
térmica. No fresamento de topo desse aço, a definição precisa dos parâmetros de
corte torna-se ainda mais desafiadora devido à presença de variáveis de ruído inerentes ao
processo. Diante dessa complexidade, a aplicação de modelos de aprendizado de máquina
desponta como uma abordagem promissora, desde que aliada a técnicas adequadas para
a construção de modelos robustos, isto é, capazes de manter alto desempenho preditivo
mesmo diante de ruídos. Esta tese tem como objetivo desenvolver e validar modelos de
aprendizado de máquina para a previsão da rugosidade superficial (Ra) no fresamento de
topo do aço inoxidável duplex UNS S32205, considerando simultaneamente variáveis de
controle e variáveis de ruído. Os ensaios foram conduzidos com base em um planejamento
composto central, combinando as variáveis de entrada (velocidade de corte, avanço por
dente, largura fresada e profundidade de corte) com as variáveis de ruído (desgaste do
flanco da ferramenta, vazão de fluido e comprimento em balanço). Foram aplicados o conceito
de projeto de parâmetro robusto, a metodologia de superfície de resposta e técnicas
de aprendizado de máquina. Os modelos utilizados incluíram Máquinas de Vetores de
Suporte (SVM), Árvores de Decisão (DTR), Florestas Aleatórias (RF) e Redes Neurais
Artificiais (RNA). As métricas de avaliação de desempenho abrangeram RMSE, MAE,
MSE e validação cruzada por R2 médio. Os modelos de RNA apresentaram os melhores
desempenhos, com destaque para a arquitetura 7-20-14-1, que obteve R2 de 0,92, RMSE
de 0,06 e R2 médio de 0,90 na previsão da rugosidade superficial. O modelo de RNA foi
então utilizado como função objetivo em um processo de otimização conduzido pelo algoritmo
de enxame de partículas (PSO), com o intuito de identificar os parâmetros de corte
que minimizam a rugosidade. Os experimentos de confirmação, realizados por meio do
arranjo L9 de Taguchi, confirmaram os resultados obtidos, evidenciando que o modelo de
aprendizado de máquina selecionado foi eficaz para simular e otimizar o comportamento
real do processo. |
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dc.publisher.country |
Brasil |
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dc.publisher.department |
IEM - Instituto de Engenharia Mecânica |
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dc.publisher.program |
Programa de Pós-Graduação: Doutorado - Engenharia Mecânica |
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dc.publisher.initials |
UNIFEI |
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dc.subject.cnpq |
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELÉTRICA |
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