A sobreposição de frequências ultrassônicas a uma ferramenta em operações de perfuração, utilizando transdutores piezelétricos, resulta em melhorias na usinagem de metais, garantindo melhor acabamento (ausência de rebarba), redução do tamanho do cavaco e menor desgaste ferramental. A utilização desse tipo de técnica na perfuração de rochas reduz a carga axial e aumenta a velocidade do processo, possibilitando maior profundidade de perfuração, podendo vir a ser muito útil em pesquisas aplicadas à perfuração de reservas petrolíferas e exploração mineral. Este trabalho teve como objetivo simular e aplicar um transdutor piezelétrico ultrassônico de potência para perfuração de rochas e metais. Para as simulações numéricas duas técnicas foram utilizadas: o método dos elementos finitos (MEF) e o método das matrizes em cadeia (MMC). O MEF permitiu análises harmônicas e modais de forma rápida e precisa enquanto o MMC resultou em expressão analítica, possibilitando melhor compreensão dos parâmetros físicos e geométricos envolvidos na performance do transdutor. Ambos os métodos nortearam o projeto do protótipo a ser usado em ensaios de perfuração. Para a construção do protótipo, foi projetado um mandril para a fixação da broca, que foi adaptado a um transdutor de potência de 20 kHz. Ensaios de perfuração de rochas e de discos de alumínio foram realizados com o protótipo. A aplicação do protótipo à perfuração de rochas carbonáticas demonstrou redução no tempo de furação, quando comparada ao método convencional (sem aplicação de ultrassom). Na furação de discos de alumínio, a redução de rebarbas, quebra do cavaco durante a operação e melhor acabamento da peça, são conclusões evidentes das melhorias proporcionadas pela sobreposição de frequências ultrassônicas à broca. / Superposition of high frequency vibration in the tool, driven by a piezoelectric actuator, in a drilling machining process of metals results in some improvements such as finishing quality (without burr), reduction of tool wear and chip dimensions. Similar techniques applied in rock perforation reduce the axial load in the tool, which enhances the process velocity, resulting in deeper perforation. This might be useful in oil and mineral exploration, opening the feasibility of researches in this field. The aim of this work is to simulate and implement an ultrasonic piezoelectric transducer to perforate rocks and metals. Concerning numerical simulation, two techniques were performed: finite element method (FEM) and chain matrix method (CMM). FEM simulations provide fast and effective modal and harmonic analysis. CMM provide mathematical expressions, analytically exposing geometrical and physical parameters involved in the transducer performance. Both methods were the guide and basement for the prototype project, able to perform perforation experiments. For the construction of the prototype, a drill chuck were designed and adapted for a 20 kHz power ultrasonic transducer. Aluminum drilling and rock perforation experiments were carried out with this prototype. A lower perforation time was achieved in carbonate rocks when the ultrasound-aided method was used as opposed to the conventional method. Results in aluminum disks presented burr reduction, better part finishing and breakage of chips during operation. Those results evidently appoint some improvements due to the power ultrasonic superposition in the drilling process.

A sobreposição de frequências ultrassônicas a uma ferramenta em operações de perfuração, utilizando transdutores piezelétricos, resulta em melhorias na usinagem de metais, garantindo melhor acabamento (ausência de rebarba), redução do tamanho do cavaco e menor desgaste ferramental. A utilização desse tipo de técnica na perfuração de rochas reduz a carga axial e aumenta a velocidade do processo, possibilitando maior profundidade de perfuração, podendo vir a ser muito útil em pesquisas aplicadas à perfuração de reservas petrolíferas e exploração mineral. Este trabalho teve como objetivo simular e aplicar um transdutor piezelétrico ultrassônico de potência para perfuração de rochas e metais. Para as simulações numéricas duas técnicas foram utilizadas: o método dos elementos finitos (MEF) e o método das matrizes em cadeia (MMC). O MEF permitiu análises harmônicas e modais de forma rápida e precisa enquanto o MMC resultou em expressão analítica, possibilitando melhor compreensão dos parâmetros físicos e geométricos envolvidos na performance do transdutor. Ambos os métodos nortearam o projeto do protótipo a ser usado em ensaios de perfuração. Para a construção do protótipo, foi projetado um mandril para a fixação da broca, que foi adaptado a um transdutor de potência de 20 kHz. Ensaios de perfuração de rochas e de discos de alumínio foram realizados com o protótipo. A aplicação do protótipo à perfuração de rochas carbonáticas demonstrou redução no tempo de furação, quando comparada ao método convencional (sem aplicação de ultrassom). Na furação de discos de alumínio, a redução de rebarbas, quebra do cavaco durante a operação e melhor acabamento da peça, são conclusões evidentes das melhorias proporcionadas pela sobreposição de frequências ultrassônicas à broca. / Superposition of high frequency vibration in the tool, driven by a piezoelectric actuator, in a drilling machining process of metals results in some improvements such as finishing quality (without burr), reduction of tool wear and chip dimensions. Similar techniques applied in rock perforation reduce the axial load in the tool, which enhances the process velocity, resulting in deeper perforation. This might be useful in oil and mineral exploration, opening the feasibility of researches in this field. The aim of this work is to simulate and implement an ultrasonic piezoelectric transducer to perforate rocks and metals. Concerning numerical simulation, two techniques were performed: finite element method (FEM) and chain matrix method (CMM). FEM simulations provide fast and effective modal and harmonic analysis. CMM provide mathematical expressions, analytically exposing geometrical and physical parameters involved in the transducer performance. Both methods were the guide and basement for the prototype project, able to perform perforation experiments. For the construction of the prototype, a drill chuck were designed and adapted for a 20 kHz power ultrasonic transducer. Aluminum drilling and rock perforation experiments were carried out with this prototype. A lower perforation time was achieved in carbonate rocks when the ultrasound-aided method was used as opposed to the conventional method. Results in aluminum disks presented burr reduction, better part finishing and breakage of chips during operation. Those results evidently appoint some improvements due to the power ultrasonic superposition in the drilling process.

In the present work further modifications are implemented to an existing test setup for the evaluation of the wear of cemented carbide drill buttons in rock drilling applications. The test setup has been evaluated in previous diploma works, which has shown that the test successfully mimics the wear seen in rock drilling applications. The new modifications include friction and normal force measurements together with the collection of rock debris. This has been made possible by redesigning the sample holder and by manufacturing equipment making rock debris collection possible. The new modifications to the test setup were evaluated by comparing the wear of three different cemented carbide grades tested against sandstone and granite with two different loads. The data collected from the new modifications were found to be robust with lower than expected spread of data. The coefficient of friction when testing against sandstone was higher than when testing against granite. More adhered material was observed on the wear surface when testing against granite than against sandstone. Load dependence on the wear of the cemented carbide buttons is only seen for the softer cemented carbide grades when testing against sandstone. The wear of the buttons indicates a high dependence on the hardness of the different grades as shouldbe expected. This diploma work has been performed for Sandvik Mining, Rock Tools,a world leading supplier of rock drill equipment.