Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2014. / ENGLISH ABSTRACT: There is a strong focus on the use of titanium and its alloys in the aerospace industry due to the high ultimate tensile strength and high strength-to-weight ratio of the material. The high performance nature of the material also makes it difficult and costly to machine. South Africa has the second most abundant titanium resources in the world in the form of rutile and ilmenite but no value chain to produce titanium parts from the ore. Currently, the ore is sold overseas at low prices. There exists an initiative to create a full titanium value chain in South Africa by the Department of Science and Technology. This project forms part of this initiative, where local industry is equipped with knowledge and skills to produce and machine titanium parts. The focus of this study is to determine whether it is possible to machine titanium aerospace parts at a local industry partner and equip the industry partner with knowledge and skills in order to facilitate effective and economical machining of these parts. Daliff Precision Engineering was selected as the local industry partner and specific demonstrator parts were selected on which to base the study. The process the industry partner currently uses to machine aerospace parts from difficult-to-machine alloys was studied and evaluated. It was found that about 70% of the machining time was spent on a single roughing process, hence the decision to study the roughing process in an attempt to establish whether improvement was possible. Pilot tests were done at the facilities of the industry partner and time savings of 95% were realised on the roughing process. A 2-level 3-factor Design of Experiments methodology was followed for experimentation and analysis of titanium machining at the industry partner. The roughing process of the demonstrator part was simulated on the CNC machining centre and the depth of cut, cutting speed and feed per tooth were selected as the factors, and the response was tool wear. A statistical analysis was done using Modde 9.1 design of experiments software and an optimisation model was created in order to determine a feasible set of cutting parameters, maximise material removal rate and have a target amount of tool wear. The findings show that it is possible to economically machine titanium aerospace parts with a selected geometry at the industry partner without the need for significant capital investments. The industry partner can use the knowledge generated in this project to validate their titanium machining capabilities and form part of the titanium value chain that is being developed in South Africa. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Daar is ‘n groot fokus op die gebruik van titaan allooie in die lugvaart nywerheid, as gevolg van die material se hoë trek-sterkte en hoë sterkte-tot-gewig verhouding. Die eienskappe wat die material so aantreklik maak, is ook die rede wat dit moeilik en duur maak om te masjineer. Suid-Afrika het die tweede grootste titaan reserwes in die wêreld in die vorm van rutiel en ilmeniet erts, maar geen waarde ketting om titaan onderdele te vervaardig van die erts af nie. Die erts word tans oorsee verkoop teen lae pryse. Daar is tans ‘n inisiatief om ‘n titaan waardeketting in Suid-Afrika te skep deur die Departement van Wetenskap en Tegnologie. Hierdie projek vorm deel van hierdie inisiatief om die plaaslike nywerheid toe te rus met kennis en vaardighede om titaan produkte te vervaardig. The fokus van hierdie studie is om te bepaal of dit moontlik is om titaan lugvaart onderdele te masjineer by ‘n plaaslike industrie-vennoot en om hierdie vennoot met kennis en vaardighede toe te rus om hierdie onderdele effektief en ekonomies te vervaardig. Daliff Precision Engineering is gekies as die plaaslike industrie-vennoot en spesifieke demonstrator onderdele is gekies om die studie op te baseer. Die proses wat die industrie-vennoot tans gebruik om moeilik-om-te-masjineer allooie te masjineer is bestudeer en ge-evalueer. Daar was bevind dat 70% van die masjineringstyd bestee word aan ‘n enkele uitrof-proses. Daar is besluit om vas te stel of die uitrof-proses verbeter kan word. Loods-eksperimente is gedoen by die industrie-vennoot se fasiliteite en ‘n tydsbesparing van 95% is gevind op die uitrof-proses. ‘n 2-Vlak 3-faktor eksperimentele ontwerp metodologie is gevolg om eksperimente by die industrie-vennoot op titaan uit te voer en te analiseer. Die uitrof-proses van die demonstrator onderdeel is gesimuleer op die CNC masjineringsentrum en die diepte van snit, snyspoed en voer per tand is gekies as die faktore en beitel-slytasie is gekies as die respons. ‘n Statistiese analise is gedoen deur Modde 9.1 eksperimentele ontwerp sagteware te gebruik om ‘n moontlike stel van sny-parameters te identifiseer om die materiaal-verwyderingstempo te maksimeer en die teiken waarde vir beitel-slytasie te bereik. Daar is gevind dat dit moontlik is on titaan lugvaart onderdele met ‘n spesifieke geometrie ekonomies te masjineer by die industrie-vennoot, sonder om enige beduidende kapitaal uitgawes aan te gaan. Die industrie-vennoot kan die kennis gebruik wat geskep is deur die projek om hulle titaan masjineringsvaardighede te valideer en om deel te vorm van die titaan waardeketting wat besig is om in Suid-Afrika ontwikkel te word.

Este trabalho estudou o efeito de tratamentos de gume e a interação com a aplicação de mínima quantidade de lubrirrefrigerante (MQL) sobre a integridade superficial da peça e desgaste no fresamento. A necessidade de alta produtividade das industrias aliada a alta eficiência que estas necessitam impulsionam avanços tecnológicos na área da usinagem. Processos de tratamento de gume vem para atender estas necessidades, aumentando a durabilidade e confiabilidade das ferramentas. Por outro lado, a necessidade de economia em fluidos de usinagem, sem perder em desempenho impulsiona a utilização de alternativas como o MQL. Tanto o tratamento de gume quanto a utilização de MQL na usinagem acabam impactando no processo. Estes apresentam ligação com mudanças na qualidade superficial e desgaste, como também em aspectos econômicos do processo. Com estes pontos em vista foram realizados ensaios experimentais utilizando fresas tratadas pelo método de acabamento por arraste e polimento com cerdas abrasivas. Os experimentos também avaliaram a aplicação de MQL com e sem aditivos de extrema pressão. Os ensaios consistiram em gerar superfícies, retratando diferentes estágios de vida da ferramenta. Foram realizadas, nas ferramentas, análises da rugosidade, textura e características dimensionais das ferramentas após os tratamentos. A textura e a rugosidade na seça foram analisadas em diferentes estágios da vida da ferramenta. Por fim, deformações plásticas e dureza por micro endentação no corpo de prova foram medidas para um estágio intermediário da vida da ferramenta. Os resultados apontam que os tratamentos resultam em características distintas na ferramenta. Tanto os tratamentos como a aplicação de MQL apresentaram influência significativa sobre a textura, rugosidade e camada afetada, assim como sobre o desgaste. As ferramentas que passaram pelo polimento apresentaram boa estabilidade quanto utilizadas com MQL, alcançando um comprimento usinado até 20% superior em comparação com as ferramentas originais usinando a seco. / Submitted by Ana Guimarães Pereira (agpereir@ucs.br) on 2016-12-20T12:29:16Z No. of bitstreams: 1 Dissertacao Charles Antonio Ost.pdf: 5298297 bytes, checksum: 152d7447d3ca8992ccc6b52a890c12bc (MD5) / Made available in DSpace on 2016-12-20T12:29:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertacao Charles Antonio Ost.pdf: 5298297 bytes, checksum: 152d7447d3ca8992ccc6b52a890c12bc (MD5) Previous issue date: 2016-12-20 / Bolsa Empresa, BE. / This work studied the effect of edge preparation and its interaction with minimum quantity of lubricant (MQL) application over the surface integrity of the workpiece and wear in milling. The necessity of high productivity of the industry allied with high efficiency that they need drives technological advances in the machining area. Edge preparation processes come to attend those needs, increasing the durability and reliability of the tools. Moreover, the necessity for economy in metalworking fluids, without losing in performance impels the use of alternatives such as MQL. Both the edge preparation and the use of MQL in machining end up impacting the process. These have connection with changes in surface quality and wear, as well as on economic aspects of the process. In regarding of this, experimental tests were conducted by using tools treated with drag finishing and polishing with abrasive brushes. The experiments also evaluated the use of MQL with and without extreme pressure additives. The tests consisted in generating surfaces, picturing different stages of the tools life. Roughness analysis, texture and dimensional measurements of the tools were performed after treatment. Texture and roughness on the workpiece were analyzed at different stages of the tool life. Finally, microhardness and plastic deformation were measured on the workpiece for an intermediate stage of tool life. The results show that the treatments result in different characteristics on the tool. Both treatments as the application of MQL have significant effect on the texture, roughness and affected layer as well as on the wear. The tools that went trough polishing presented good stability when used with MQL, reaching a machining length up to 20% higher in comparison with the original tools in dry milling.

Este trabalho estudou o efeito de tratamentos de gume e a interação com a aplicação de mínima quantidade de lubrirrefrigerante (MQL) sobre a integridade superficial da peça e desgaste no fresamento. A necessidade de alta produtividade das industrias aliada a alta eficiência que estas necessitam impulsionam avanços tecnológicos na área da usinagem. Processos de tratamento de gume vem para atender estas necessidades, aumentando a durabilidade e confiabilidade das ferramentas. Por outro lado, a necessidade de economia em fluidos de usinagem, sem perder em desempenho impulsiona a utilização de alternativas como o MQL. Tanto o tratamento de gume quanto a utilização de MQL na usinagem acabam impactando no processo. Estes apresentam ligação com mudanças na qualidade superficial e desgaste, como também em aspectos econômicos do processo. Com estes pontos em vista foram realizados ensaios experimentais utilizando fresas tratadas pelo método de acabamento por arraste e polimento com cerdas abrasivas. Os experimentos também avaliaram a aplicação de MQL com e sem aditivos de extrema pressão. Os ensaios consistiram em gerar superfícies, retratando diferentes estágios de vida da ferramenta. Foram realizadas, nas ferramentas, análises da rugosidade, textura e características dimensionais das ferramentas após os tratamentos. A textura e a rugosidade na seça foram analisadas em diferentes estágios da vida da ferramenta. Por fim, deformações plásticas e dureza por micro endentação no corpo de prova foram medidas para um estágio intermediário da vida da ferramenta. Os resultados apontam que os tratamentos resultam em características distintas na ferramenta. Tanto os tratamentos como a aplicação de MQL apresentaram influência significativa sobre a textura, rugosidade e camada afetada, assim como sobre o desgaste. As ferramentas que passaram pelo polimento apresentaram boa estabilidade quanto utilizadas com MQL, alcançando um comprimento usinado até 20% superior em comparação com as ferramentas originais usinando a seco. / Bolsa Empresa, BE. / This work studied the effect of edge preparation and its interaction with minimum quantity of lubricant (MQL) application over the surface integrity of the workpiece and wear in milling. The necessity of high productivity of the industry allied with high efficiency that they need drives technological advances in the machining area. Edge preparation processes come to attend those needs, increasing the durability and reliability of the tools. Moreover, the necessity for economy in metalworking fluids, without losing in performance impels the use of alternatives such as MQL. Both the edge preparation and the use of MQL in machining end up impacting the process. These have connection with changes in surface quality and wear, as well as on economic aspects of the process. In regarding of this, experimental tests were conducted by using tools treated with drag finishing and polishing with abrasive brushes. The experiments also evaluated the use of MQL with and without extreme pressure additives. The tests consisted in generating surfaces, picturing different stages of the tools life. Roughness analysis, texture and dimensional measurements of the tools were performed after treatment. Texture and roughness on the workpiece were analyzed at different stages of the tool life. Finally, microhardness and plastic deformation were measured on the workpiece for an intermediate stage of tool life. The results show that the treatments result in different characteristics on the tool. Both treatments as the application of MQL have significant effect on the texture, roughness and affected layer as well as on the wear. The tools that went trough polishing presented good stability when used with MQL, reaching a machining length up to 20% higher in comparison with the original tools in dry milling.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Um dos processos de usinagem com maior emprego na indústria é o fresamento. O estudo da área térmica no fresamento é um desafio, por ser um processo em que o corte ocorre numa região bem específica de difícil acesso para sua correta mensuração. Uma das soluções para análise da temperatura no processo de usinagem é a utilização de modelos térmicos resolvidos por métodos matemáticos que trazem boas estimativas. Atualmente, além dos softwares desenvolvidos no ambiente acadêmico, existem também ferramentas computacionais disponíveis no mercado. Entretanto, os softwares comerciais apresentam código de programação fechado o que dificulta estudos mais específicos para casos particulares. Por meio de busca em vários autores, tanto em trabalhos no contexto de torneamento quanto para fresamento, notou-se que a utilização do método de resolução inversa por Gauss-Newton para estimativas de fluxo de calor ainda é muito restrita. Nos trabalhos de Braghini Junior (2002) e do próprio autor em Barrios (2013) este método foi implementado, porém a metodologia foi para estimativas apenas do fluxo de calor médio, desprezando a variação do fluxo de calor em função do deslocamento da ferramenta pelo tempo. O objetivo deste trabalho é desenvolver uma nova metodologia para realizar estimativas de fluxo de calor na peça em operações de usinagem por fresamento considerando os efeitos do deslocamento da ferramenta em função do tempo utilizando o método de Gauss-Newton. Para isso foi necessário desenvolver um Simulador Térmico de Usinagem por Fresamento (STUF), analisar os efeitos das variáveis adotadas no simulador e por fim realizar estimativas de fluxo de calor por meio dos dados de temperatura experimental de usinagem. Foram criadas duas interfaces para o STUF, sendo uma interface para as estimativas de fluxo de calor e uma interface para as estimativas de temperatura na peça. Para este fim, o Matlab® foi utilizado como ambiente computacional e como linguagem de programação para as simulações. Os efeitos das variáveis no simulador como o coeficiente convectivo (h), refino de malha, passo do tempo (Δt), geometria da peça, temperatura experimental e análise de erro foram analisados. Foi possível realizar estimativas de fluxo de calor e temperatura na peça por meio do estudo de caso 1, utilizando os dados experimentais de Braghini (2002), estudo de caso 2, por meio dos dados experimentais de Barrios (2013), e estudo de caso 3, por meio dos dados experimentais proposto por este trabalho. Essa nova metodologia empregada por meio do STUF permitiu a identificação do fluxo de calor máximo na peça, possibilitou a geração de resultados de temperaturas estimadas com bons ajustes com as temperaturas experimentais com R² médio de 0,85 para estudo de caso 1 e R² de 0,95 para estudo de caso 2. O estudo de caso 3 apresentou muitos ruídos, porém foram possíveis as estimativas. / One of the most widely used machining processes in the industry is milling. The study of the thermal area in the milling is a challenge, because it is a process in which the cutting occurs in a very specific region of difficult access for its correct measurement. One of the solutions for the analysis of the temperature in the machining process is the use of thermal models solved by mathematical methods that bring good estimates. Currently, besides the software developed in the academic environment, there are also computational tools available in the market. However, commercial software presents closed programming code which makes it difficult to study more specifically for particular cases. Through the search of several authors, both in work in the context of turning and in milling, it was noticed that the use of the inverse resolution method by Gauss-Newton for estimates of heat flow is still very restricted. In the works by Braghini Junior (2002) and by the author himself in Barrios (2013) this method was implemented, but the methodology was only for estimates of the average heat flux, neglecting the variation of the heat flow as a function of the time displacement of the tool . The objective of this work is to develop a new methodology for estimating the heat flux in the part in milling operations considering the effects of tool displacement as a function of time using the GaussNewton method. For this, it was necessary to develop a Thermal Simulator for Machining by Milling (STUF), to analyze the effects of the variables adopted in the simulator and finally to make estimates of heat flux through the experimental temperature data of machining. Two interfaces were created for the STUF, being an interface for the estimations of heat flow and an interface for the temperature estimates in the part. For this purpose, Matlab® was used as a computational environment and as a programming language for simulations. The effects of the variables in the simulator, such as the convective coefficient (h), mesh refining, time step (Δt), part geometry, experimental temperature and error analysis were analyzed. It was possible to estimate heat flux and temperature in the piece by means of the case study 1, using the Braghini (2002) experimental data, case study 2, through the experimental data of Barrios (2013), and case study 3, through the experimental data proposed by this work. This new methodology used by the STUF allowed the identification of the maximum heat flux in the part, allowed the generation of estimated temperature results with good adjustments with the experimental temperatures with mean R² of 0.85 for case study 1 and R² of 0,95 for case study 2. Case study 3 presented many noises, but estimates were possible.

Orientador: Anselmo Eduardo Diniz / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-05T19:57:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Pivetta_CarlosSergio_M.pdf: 2572259 bytes, checksum: d75f09a259545ac56a46ecc1d5870ba0 (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: O fresamento de cavidades de moldes e matrizes em material endurecido usando ferramenta de topo esférico tem limitações em termos de profundidades das cavidades, da taxa de remoção de cavaco e da vida da ferramenta. Algumas operações de fresamento em cavidades profundas não podem ser realizadas, devido à necessidade de se ter ferramenta com alto balanço, o que gera vibração e, em conseqüência, danos à rugosidade da peça e à vida da ferramenta. Outro ponto ainda não totalmente compreendido é a influência da rugosidade deixada na peça pela operação anterior, na rugosidade da operação de acabamento, já que, devido às baixas profundidades utilizadas nesta operação, a rugosidade da operação anterior pode influenciar a profundidade real removida. O principal objetivo deste trabalho é verificar a influência da relação comprimento/diâmetro da ferramenta (balanço), da rugosidade da operação anterior e da velocidade de corte na rugosidade da peça e na vida da ferramenta de fresamento em acabamento. Para isto foram realizados ensaios de fresamento em aço endurecido AISI D2 (58 HRC) com ferramenta de ponta esférica de metal duro recoberto, variando-se os citados parâmetros de influência. Dentre as conclusões deste trabalho, pode-se destacar: nem a rugosidade da operação anterior, nem o balanço da ferramenta influenciaram a rugosidade da peça, pelo menos nos níveis utilizados neste trabalho; com balanço da ferramenta pequeno, consegue-se baixos valores de desgaste e, com isso, longa vida da ferramenta, mas quando se utiliza conjuntamente balanço da ferramenta e velocidades de corte altas, a vida da ferramenta é bastante reduzida / Abstract: The milling of molds and dies cavities carried out on hardened steel using ball end mill presents limitations in terms of cavity depth, metal removal rates and tool life. Some milling operations on deep cavities are not possible due to the require of long tool overhang, what generates vibrations and, consequently, resulted in poor surface roughness and short tool life. Other point which is not totally understood up to the present is the influence of the surface roughness obtained in the previous operation on the results of finishing operation because on finishing operations, the actual depth of cut is not much larger than the height of roughness left on the surface by the previous operation. The main objective of this work is to verify the influence of the ratio tool overhang/ tool diameter, the roughness of the previous operation and cutting speed on the tool wear in finishing operations. Besides, it also intends to verify the influence of tool wear on the tool vibration, measured through the real time tool deflection. Milling experiments on AISI D2 hardened steel (58 HRC) were carried out using coated (TiNAl) carbide ball end mills with the input variables already mentioned. The main conclusions of this experiments, for the used conditions, were: the previous surface roughness neither the tool overhang have influence on the resulting surface roughness; when the tool overhang was the lowest one, cutting speed did not influence so much tool wear, but when the highest tool overhang was used, cutting speed presented a strong influence on tool wear / Mestrado / Materiais e Processos de Fabricação / Mestre em Engenharia Mecânica