Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

As operações de usinagem compreendem uma parcela significativa do universo da manufatura sendo que atualmente algumas tendências bem definidas, como a usinagem de peças já endurecidas, vêm ganhando espaço no campo da fabricação de moldes e matrizes, em especial, mas também na indústria automotiva e de construção de máquinas. O torneamento e o fresamento de materiais, nesta difícil condição de usinagem, já estão estabelecidos na indústria. Assim, a conversão do processo de produção atual de materiais em estado mole para endurecido só será possível com todas as operações de usinagem incluídas. Devido a isso, a demanda por furação e roscamento de peças endurecidas está em constante crescimento. Essas operações apresentam dificuldades muito maiores do que as de torneamento e fresamento, daí a importância de ferramentas especificamente projetadas para elas. Dessa forma, este trabalho teve como objetivo estudar o processo de desgaste sofrido pelas ferramentas durante a furação e roscamento de aços AISI D2 e AISI H13 com a utilização de diferentes velocidades de corte. As forças de corte e o torque também serão medidos durante o processo para avaliar seus comportamentos com o aumento da velocidade. Com os resultados obtidos verificou-se que na furação e roscamento de aços endurecidos de baixa usinabilidade, como no caso do aço AISI D2, o desgaste da ferramenta é muito acentuado, podendo tornar o processo inviável economicamente caso não sejam empregadas velocidades de corte extremamente reduzidas. De uma forma geral, a furação e o roscamento do AISI H13 pode ser viável, pois o número de furos/roscas obtidos dentro dos critérios especificados mostrou-se muito superior ao esperado. Os principais mecanismos de desgastes que atuaram nos machos de corte durante o processo de roscamento de ambos os aços (AISI D2 e AISI H13) foram abrasão nas superfícies de folga e adesão nas superfícies de saída de forma acentuada nos três primeiros filetes. / The cutting processes compose a huge part of the manufacturing universe and, nowadays, some well-defined trends, like cutting hardened materials, are increasing not only in die molding production but also in automotive and machine industries. The turning and milling processes of materials, in this difficult condition of cutting, are already applied in the mechanical industries. Therefore, the total conversion of the present production process of regular materials into hardened ones can only be reached when all the cutting processes are included. Because of that, the demands of drilling and tapping hardened materials have increased constantly. These operations require tools specifically designed for them, because they have proven themselves to be much more difficult than the turning and milling processes. In that way, this work aimed to study the wear process of drills and taps used to machining the AISI D2 and AISI H13 hardened steels with different cutting speeds. The cutting forces and the torque generated were also acquired during the cutting process to evaluate its behavior with the speed increase. After analyzing the results, a very aggressive tool wear was confirmed in the drilling and tapping process of hardened steels with bad machinability, like the AISI D2 steel, and this can make the process economically unfeasible if an extremely reduced cutting speed is not used. Generally, the drilling and tapping process of the AISI H13 can become economically viable, because the number of holes/threads achieved in accordance with the specified criteria was superior to the expected ones. In the cutting process of both materials (AISI D2 and H13), the main wear mechanism observed on the taps were abrasion, on the clearance surface, and adhesion, on the rake surface. This was severe for the first three threads of the tap.

Estágio realizado na empresa Swedwood Portugal e orientado pelo Engº. Luís Vasques / Tese de mestrado integrado. Engenharia industrial e Gestão. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

As operações de usinagem compreendem uma parcela significativa do universo da manufatura sendo que atualmente algumas tendências bem definidas, como a usinagem de peças já endurecidas, vêm ganhando espaço no campo da fabricação de moldes e matrizes, em especial, mas também na indústria automotiva e de construção de máquinas. O torneamento e o fresamento de materiais, nesta difícil condição de usinagem, já estão estabelecidos na indústria. Assim, a conversão do processo de produção atual de materiais em estado mole para endurecido só será possível com todas as operações de usinagem incluídas. Devido a isso, a demanda por furação e roscamento de peças endurecidas está em constante crescimento. Essas operações apresentam dificuldades muito maiores do que as de torneamento e fresamento, daí a importância de ferramentas especificamente projetadas para elas. Dessa forma, este trabalho teve como objetivo estudar o processo de desgaste sofrido pelas ferramentas durante a furação e roscamento de aços AISI D2 e AISI H13 com a utilização de diferentes velocidades de corte. As forças de corte e o torque também serão medidos durante o processo para avaliar seus comportamentos com o aumento da velocidade. Com os resultados obtidos verificou-se que na furação e roscamento de aços endurecidos de baixa usinabilidade, como no caso do aço AISI D2, o desgaste da ferramenta é muito acentuado, podendo tornar o processo inviável economicamente caso não sejam empregadas velocidades de corte extremamente reduzidas. De uma forma geral, a furação e o roscamento do AISI H13 pode ser viável, pois o número de furos/roscas obtidos dentro dos critérios especificados mostrou-se muito superior ao esperado. Os principais mecanismos de desgastes que atuaram nos machos de corte durante o processo de roscamento de ambos os aços (AISI D2 e AISI H13) foram abrasão nas superfícies de folga e adesão nas superfícies de saída de forma acentuada nos três primeiros filetes. / The cutting processes compose a huge part of the manufacturing universe and, nowadays, some well-defined trends, like cutting hardened materials, are increasing not only in die molding production but also in automotive and machine industries. The turning and milling processes of materials, in this difficult condition of cutting, are already applied in the mechanical industries. Therefore, the total conversion of the present production process of regular materials into hardened ones can only be reached when all the cutting processes are included. Because of that, the demands of drilling and tapping hardened materials have increased constantly. These operations require tools specifically designed for them, because they have proven themselves to be much more difficult than the turning and milling processes. In that way, this work aimed to study the wear process of drills and taps used to machining the AISI D2 and AISI H13 hardened steels with different cutting speeds. The cutting forces and the torque generated were also acquired during the cutting process to evaluate its behavior with the speed increase. After analyzing the results, a very aggressive tool wear was confirmed in the drilling and tapping process of hardened steels with bad machinability, like the AISI D2 steel, and this can make the process economically unfeasible if an extremely reduced cutting speed is not used. Generally, the drilling and tapping process of the AISI H13 can become economically viable, because the number of holes/threads achieved in accordance with the specified criteria was superior to the expected ones. In the cutting process of both materials (AISI D2 and H13), the main wear mechanism observed on the taps were abrasion, on the clearance surface, and adhesion, on the rake surface. This was severe for the first three threads of the tap.

A madeira é um material estrutural de fonte renovável, com alta relação resistência/peso, baixo consumo energético de produção, sequestra e armazena carbono em sua produção. A aplicação da madeira como material de construção civil é fundamental, pois além de ter qualidades muito especiais como matéria prima para outros produtos industrializados na construção de residências ou em obras de grande porte como pontes e passarelas, vem sendo utilizada amplamente em coberturas para edifícios industriais/comerciais. Comercialmente, existem limitações do comprimento das peças de madeira, fruto de sua extração de troncos de árvores, requerendo assim a adoção de elementos de ligação das peças estruturais. Uma das mais recentes alternativas para as ligações com elementos estruturais de madeira é a utilização de parafusos auto-atarraxantes solicitados por esforços que podem ser laterais e axiais, de cisalhamento, tração ou compressão. Considerando que no Brasil ainda não existe, e com o mercado futuro promissor, este trabalho tem por finalidade realizar um estudo teórico, numérico e experimental das ligações com parafusos auto-atarraxantes com diâmetros de 9 mm e 11 mm e espécies de reflorestamento de Pinus Oocarpa e Lyptus®, com a finalidade de propor os critérios de dimensionamento para estas ligações. Os resultados obtidos mostram que os ângulos de 45º entre a força aplicada e a posição de penetração do parafuso conduz aos melhores valores de resistência e rigidez das ligações. Alem disto, com base na experimentação realizada, conclui-se que o critério proposto pelo EuroCode5 se mostra adequado para o dimensionamento das citadas ligações. / Wood is a renewable source of structural material with high relative strength/weight, low energy production, kidnaps and stores carbon in its production. The use of wood as a construction material is critical because besides having very special qualities as raw material for other industrialized in building homes or large works such as bridges and walkways, product has been widely used in roofing for industrial buildings and commercial buildings. Commercially there are limitations on the length of the wood, resulting from the extraction of trees, thus requiring the adoption of binding elements of the structural parts. One of the newest alternatives for connections with wooden structural elements is to use self-tapping screws requested by efforts that may be lateral and axial, shear, tensile or compressive. Whereas in Brazil does not yet exist and the promising future market, this study aims to make a theoretical, numerical and experimental study of connections with self tapping screws with diameters of 9 mm and 11 mm and two species of reforestation Pinus oocarpa and Lyptus®, in order to offer a criteria for these connections. The results obtained show that the 45° angle between the applied force and the position of the screw penetration leads to a better strength values and stiffness. Besides this, based on experiments conducted, it has concluded that the criteria proposed by Eurocode5 prove suitable for this type of connection.

A madeira é um material estrutural de fonte renovável, com alta relação resistência/peso, baixo consumo energético de produção, sequestra e armazena carbono em sua produção. A aplicação da madeira como material de construção civil é fundamental, pois além de ter qualidades muito especiais como matéria prima para outros produtos industrializados na construção de residências ou em obras de grande porte como pontes e passarelas, vem sendo utilizada amplamente em coberturas para edifícios industriais/comerciais. Comercialmente, existem limitações do comprimento das peças de madeira, fruto de sua extração de troncos de árvores, requerendo assim a adoção de elementos de ligação das peças estruturais. Uma das mais recentes alternativas para as ligações com elementos estruturais de madeira é a utilização de parafusos auto-atarraxantes solicitados por esforços que podem ser laterais e axiais, de cisalhamento, tração ou compressão. Considerando que no Brasil ainda não existe, e com o mercado futuro promissor, este trabalho tem por finalidade realizar um estudo teórico, numérico e experimental das ligações com parafusos auto-atarraxantes com diâmetros de 9 mm e 11 mm e espécies de reflorestamento de Pinus Oocarpa e Lyptus®, com a finalidade de propor os critérios de dimensionamento para estas ligações. Os resultados obtidos mostram que os ângulos de 45º entre a força aplicada e a posição de penetração do parafuso conduz aos melhores valores de resistência e rigidez das ligações. Alem disto, com base na experimentação realizada, conclui-se que o critério proposto pelo EuroCode5 se mostra adequado para o dimensionamento das citadas ligações. / Wood is a renewable source of structural material with high relative strength/weight, low energy production, kidnaps and stores carbon in its production. The use of wood as a construction material is critical because besides having very special qualities as raw material for other industrialized in building homes or large works such as bridges and walkways, product has been widely used in roofing for industrial buildings and commercial buildings. Commercially there are limitations on the length of the wood, resulting from the extraction of trees, thus requiring the adoption of binding elements of the structural parts. One of the newest alternatives for connections with wooden structural elements is to use self-tapping screws requested by efforts that may be lateral and axial, shear, tensile or compressive. Whereas in Brazil does not yet exist and the promising future market, this study aims to make a theoretical, numerical and experimental study of connections with self tapping screws with diameters of 9 mm and 11 mm and two species of reforestation Pinus oocarpa and Lyptus®, in order to offer a criteria for these connections. The results obtained show that the 45° angle between the applied force and the position of the screw penetration leads to a better strength values and stiffness. Besides this, based on experiments conducted, it has concluded that the criteria proposed by Eurocode5 prove suitable for this type of connection.

Dependendo da característica da indústria, nem sempre, a operação de torneamento de aços é a que aparece com maior frequência. Geralmente a operação de furação destes materiais ocupa espaço relativo abaixo da operação citada. Entretanto, a Empresa Müller Metais Indústria e Comércio que decidiu colaborar de forma decisiva para a elaboração deste trabalho, é totalmente voltada para a usinagem de furos em chapas de grandes dimensões e de diversas espessuras. As chapas são geralmente de Aço Carbono, mas, também existe a incidência de furos em chapas de Aço Inoxidável. O número de furos pode variar entre 500 até 2500 por peça. As brocas possuem um suporte sobre o qual é fixado um inserto de geometria especialmente projetada para atender a qualidade exigida da superfície interna do furo. Os insertos são de metal duro classe ISO K15 e revestidos por PVD multicamadas à base de AlCr sobre o referido substrato. O critério para troca de ferramenta é baseado em um número de furos (vida) previamente adotado em função da experiência acumulada ao longo do tempo. A Empresa Müller Metais Indústria e Comércio vêm trabalhando no sentido de aumentar a produtividade para melhor fazer frente a demanda crescente por parte de clientes de diversas áreas que utilizam tais peças. O objetivo deste trabalho é analisar os mecanismos de desgastes ocorridos em brocas especiais com insertos intercambiáveis de metal duro visando melhorar o desempenho dos mesmos. Os insertos foram banhados por um produto antiatrito e em seguida mantidos em estufa à temperatura da ordem de 80C por 30 minutos provocando, desta forma, um tratamento termoquímico da superfície do inserto. / Depending on the characteristic of the industry, turning operation of steel is not always the one that appears most frequently. Generally drilling operation is less mentioned and used by industries. However, the company Müller Metals Industry and Trade that decided to collaborate decisively to the development of this work. They were fully geared for machining holes in large plates with various thicknesses. The plates are usually carbon steel, but there is also the incidence of holes in plates of stainless steel. The number of holes can vary from 500 to 2500. The drills have a support on which insert are fixed. The inserts are ISO K15 grade carbide and coated multilayer PVD -based AlCr on the carbide substrate. The Company Müller Metals Industry and Commerce has been working to increase productivity to better cope with increasing demand from clients in various areas using such parts. The objective of this study is to analyze wear mechanisms in special drills with interchangeable cemented carbide inserts to improve their behavior. To achieve this goal the drills should be treated by anti friction product at a temperature of about 80 C.

A furação é um processo caracterizado por apresentar dificuldades em relação à formação e remoção do cavaco da região de corte, e à geração de altas temperaturas devido ao cisalhamento e encruamento do material no fundo do furo, principalmente, na usinagem do aço inoxidável austenítico. Com isso a presença do fluido de corte com boas propriedades de refrigeração e lubrificação faz-se necessária para preservar a vida da broca e garantir um acabamento satisfatório do furo. Contudo, com a tendência mundial de diminuição da quantidade de fluido de corte dispendido, tem-se buscado técnicas diferentes de aplicação que utilize o lubrirrefrigerante em quantidades reduzidas. Associado a essas novas técnicas, vem sendo empregado cada vez mais o uso de partículas sólidas adicionadas ao fluido com o intuito de aumentar sua eficiência. Um tipo de partícula, que vem sendo aplicada em diversos setores produtivos devido a suas ótimas propriedades mecânicas, químicas e elétricas, é o grafeno. Sendo assim, pretende-se analisar o comportamento da furação do aço inoxidável austenítico AISI 304 utilizando flocos de multicamadas de grafeno dispersos em fluido de corte empregando o projeto de experimentos Box-Behnken A aplicação do fluido é feita externamente utilizando a técnica de quantidade reduzida com três vazões: 1,5 l/h; 2,0 l/h e 2,5 l/h. O comportamento do processo é avaliado pelos esforços de corte (força de avanço e momento torsor), pela rugosidade (média e total), e pelos desvios (dimensional e de circularidade) na entrada e na saída do furo. O desempenho do grafeno é avaliado pela comparação dos resultados da sua utilização com os de outras duas condições de aplicação do fluido de corte sem adições: em quantidade reduzida e em abundância. Teve-se como resultado que todas as variáveis respostas analisadas sofreram alguma influência da velocidade de corte e/ou da vazão do fluido aplicado em quantidades reduzidas. Os benefícios da lubrificação e refrigeração do grafeno são sentidos em alguns resultados, como nos menores valores médios de rugosidade e de desvio dimensional. Mas, na análise do processo como um todo, não se afirma que o fluido de corte com flocos de multicamadas de grafeno aplicado externamente em quantidade reduzida traz mais benefícios que o sem adições. / Drilling is a machining process characterized by difficulties in the formation and removal of the chip from the cutting region and the generation of high temperatures due to shearing and hardening of the material at the bottom of the hole, especially in the machining of austenitic stainless steel. Thus the presence of cutting fluid with good cooling and lubrication properties is necessary to preserve the drill life and ensure a satisfactory hole finish. However, with the worldwide trend of decreasing the amount of cutting fluid expended, different application systems have been sought which use the coolant in reduced amounts. Associated with these new techniques, the presence of solid particles added to the fluid has been increasingly used in order to enhance its efficiency. One of these particles, which have been applied in several productive sectors due to its excellent mechanical, chemical and electrical properties, is graphene. Therefore, it is intended to analyze the drilling behavior of AISI 304 austenitic stainless steel using multilayer graphene flakes dispersed in the cutting fluid using the Box- Behnken Design The application of the fluid is done externally by means of reduced quantity lubricant with three flows: 1.5 l/h, 2.0 l/h and 2.5 l/h. The behavior of the process is evaluated via thrust force and torque, average and total roughness, and dimensional and circularity deviations at the input and output holes. The performance of graphene is evaluated by comparing the results of its use with two other cutting fluid conditions: quantity reduced and abundance. It was found that all the analyzed responses variables had some influence of the cutting speed and/or the flow of the applied fluid in reduced quantities. The benefits of graphene lubrication and cooling are felt in some results, such as the lower values of average roughness and dimensional deviation. However, in the analysis of the process as a whole, it is not possible to state that the multilayer graphene flakes cutting fluid externally applied brings more benefits than without additions.

A furação é um processo caracterizado por apresentar dificuldades em relação à formação e remoção do cavaco da região de corte, e à geração de altas temperaturas devido ao cisalhamento e encruamento do material no fundo do furo, principalmente, na usinagem do aço inoxidável austenítico. Com isso a presença do fluido de corte com boas propriedades de refrigeração e lubrificação faz-se necessária para preservar a vida da broca e garantir um acabamento satisfatório do furo. Contudo, com a tendência mundial de diminuição da quantidade de fluido de corte dispendido, tem-se buscado técnicas diferentes de aplicação que utilize o lubrirrefrigerante em quantidades reduzidas. Associado a essas novas técnicas, vem sendo empregado cada vez mais o uso de partículas sólidas adicionadas ao fluido com o intuito de aumentar sua eficiência. Um tipo de partícula, que vem sendo aplicada em diversos setores produtivos devido a suas ótimas propriedades mecânicas, químicas e elétricas, é o grafeno. Sendo assim, pretende-se analisar o comportamento da furação do aço inoxidável austenítico AISI 304 utilizando flocos de multicamadas de grafeno dispersos em fluido de corte empregando o projeto de experimentos Box-Behnken A aplicação do fluido é feita externamente utilizando a técnica de quantidade reduzida com três vazões: 1,5 l/h; 2,0 l/h e 2,5 l/h. O comportamento do processo é avaliado pelos esforços de corte (força de avanço e momento torsor), pela rugosidade (média e total), e pelos desvios (dimensional e de circularidade) na entrada e na saída do furo. O desempenho do grafeno é avaliado pela comparação dos resultados da sua utilização com os de outras duas condições de aplicação do fluido de corte sem adições: em quantidade reduzida e em abundância. Teve-se como resultado que todas as variáveis respostas analisadas sofreram alguma influência da velocidade de corte e/ou da vazão do fluido aplicado em quantidades reduzidas. Os benefícios da lubrificação e refrigeração do grafeno são sentidos em alguns resultados, como nos menores valores médios de rugosidade e de desvio dimensional. Mas, na análise do processo como um todo, não se afirma que o fluido de corte com flocos de multicamadas de grafeno aplicado externamente em quantidade reduzida traz mais benefícios que o sem adições. / Drilling is a machining process characterized by difficulties in the formation and removal of the chip from the cutting region and the generation of high temperatures due to shearing and hardening of the material at the bottom of the hole, especially in the machining of austenitic stainless steel. Thus the presence of cutting fluid with good cooling and lubrication properties is necessary to preserve the drill life and ensure a satisfactory hole finish. However, with the worldwide trend of decreasing the amount of cutting fluid expended, different application systems have been sought which use the coolant in reduced amounts. Associated with these new techniques, the presence of solid particles added to the fluid has been increasingly used in order to enhance its efficiency. One of these particles, which have been applied in several productive sectors due to its excellent mechanical, chemical and electrical properties, is graphene. Therefore, it is intended to analyze the drilling behavior of AISI 304 austenitic stainless steel using multilayer graphene flakes dispersed in the cutting fluid using the Box- Behnken Design The application of the fluid is done externally by means of reduced quantity lubricant with three flows: 1.5 l/h, 2.0 l/h and 2.5 l/h. The behavior of the process is evaluated via thrust force and torque, average and total roughness, and dimensional and circularity deviations at the input and output holes. The performance of graphene is evaluated by comparing the results of its use with two other cutting fluid conditions: quantity reduced and abundance. It was found that all the analyzed responses variables had some influence of the cutting speed and/or the flow of the applied fluid in reduced quantities. The benefits of graphene lubrication and cooling are felt in some results, such as the lower values of average roughness and dimensional deviation. However, in the analysis of the process as a whole, it is not possible to state that the multilayer graphene flakes cutting fluid externally applied brings more benefits than without additions.