A distribuição de temperatura, as deformações e as forças na zona de corte durante a formação de cavacos são muito importantes, pois têm grande influência nos resultados dos processos de usinagem como um todo. O desgaste das ferramentas, a precisão das operações de usinagem (dilatação térmica) e o acabamento superficial são alguns desses resultados que afetam a economia do processo. Este trabalho tem o objetivo uma avaliação das potencialidades oferecidas pela simulação da formação de cavacos usando-se FEM (Finite Element Method). Quatros modelos com princípios bastante diferentes são utilizados explorando-se as mais recentes inovações em termos de recursos oferecidos pelo software ABAQUS/Explicit. Nos modelos utilizam-se ferramentas de substrato WC recoberto com TiN usinado aços AISI 4340. As simulações proporcionam o estudo e exame detalhado da distribuição de temperatura, deformações, forças de corte, fluxo de material e uma enorme quantidade de informações que poderão ser muito úteis para a análise de novos processos, otimização de processos existentes, além de abrir novos horizontes no estudo da formação de cavacos. As simulações também demonstram que a complexidade da formação de cavacos cria muitas dificuldades para sua análise usando equações analíticas baseadas em constantes. / The distribution of temperature, the deformations and the cutting forces in the cutting zone during chip formation are very important aspects of the process. Therefore they have great influence in results of machining. Tool wear, the precision of the machining operations and the finishing superface are some of these results that affect the economy of the process. This work has the objective of an evaluation offered potentialities for simulating chip formation using FEM (Finite Element Method). Four models with sufficiently different principles are used to exploring the most recent innovations in terms of resources offered by ABAQUS/Explicit software. In the models, WC tools coated TiN was used to machine AISI 4340 steel. The simulations provide a study and detailed examination of temperature distribution, deformations, cutting forces, flow of material and an enormous amount of information that could be useful for the analysis of new processes and optimization of existing processes. Additionally, they open new horizon in the study of the chip formation. The simulations also demonstrate the complexity of the chip formation process, which creates many difficulties for its analysis using based analytical equations in constants. Some comparisons are established with experimental results found in temperature measurements.

A distribuição de temperatura, as deformações e as forças na zona de corte durante a formação de cavacos são muito importantes, pois têm grande influência nos resultados dos processos de usinagem como um todo. O desgaste das ferramentas, a precisão das operações de usinagem (dilatação térmica) e o acabamento superficial são alguns desses resultados que afetam a economia do processo. Este trabalho tem o objetivo uma avaliação das potencialidades oferecidas pela simulação da formação de cavacos usando-se FEM (Finite Element Method). Quatros modelos com princípios bastante diferentes são utilizados explorando-se as mais recentes inovações em termos de recursos oferecidos pelo software ABAQUS/Explicit. Nos modelos utilizam-se ferramentas de substrato WC recoberto com TiN usinado aços AISI 4340. As simulações proporcionam o estudo e exame detalhado da distribuição de temperatura, deformações, forças de corte, fluxo de material e uma enorme quantidade de informações que poderão ser muito úteis para a análise de novos processos, otimização de processos existentes, além de abrir novos horizontes no estudo da formação de cavacos. As simulações também demonstram que a complexidade da formação de cavacos cria muitas dificuldades para sua análise usando equações analíticas baseadas em constantes. / The distribution of temperature, the deformations and the cutting forces in the cutting zone during chip formation are very important aspects of the process. Therefore they have great influence in results of machining. Tool wear, the precision of the machining operations and the finishing superface are some of these results that affect the economy of the process. This work has the objective of an evaluation offered potentialities for simulating chip formation using FEM (Finite Element Method). Four models with sufficiently different principles are used to exploring the most recent innovations in terms of resources offered by ABAQUS/Explicit software. In the models, WC tools coated TiN was used to machine AISI 4340 steel. The simulations provide a study and detailed examination of temperature distribution, deformations, cutting forces, flow of material and an enormous amount of information that could be useful for the analysis of new processes and optimization of existing processes. Additionally, they open new horizon in the study of the chip formation. The simulations also demonstrate the complexity of the chip formation process, which creates many difficulties for its analysis using based analytical equations in constants. Some comparisons are established with experimental results found in temperature measurements.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work proposes a methodology to obtain the transient cutting tool temperature. The physical phenomenon is treated by a three-dimensional analysis. The inverse heat conduction technique is proposed to estimate the generated heat flux on the rake face of the tool. This technique is based on conjugate gradient method with adjoint equation. The machining process is instrumented with thermocouples at the bottom face of the tool, opposite to its main rake face. The signals are automatically received and processed using a data acquisition system and a PC-Pentium. The direct solution is numerically solved using finite volumes method with the heat flux estimated. The experimental data are processed using a computational algorithm developed specifically for inverse heat flux estimation in machining processes. Experimental temperatures are obtained during several cutting tests using cemented carbide and ceramic tools. The influence of the cutting parameters on the temperature distribution is verified. An error analysis of the results is also presented. / O objetivo deste trabalho é propor uma metodologia para a obtenção da distribuição da temperatura na superfície de corte da ferramenta em um processo de usinagem por torneamento. Nesse sentido, o problema térmico de usinagem é caracterizado de maneira bem realista através de uma abordagem tridimensional. Para a obtenção dos campos térmicos na região de corte propõe-se o uso de técnicas de problemas inversos em condução de calor. Assim, a solução do problema térmico é obtida em duas etapas: solução inversa e solução direta. A solução inversa baseia-se no método do gradiente conjugado e da equação adjunta para a estimar o fluxo de calor gerado na região de corte que flui para a ferramenta. Nesse caso, são usados termopares soldados na face oposta da ferramenta que fornecem a informação necessária para que a solução inversa consiga estimar o fluxo de calor. Com a obtenção do fluxo de calor que flui para a ferramenta utiliza-se a solução direta do problema térmico para o cálculo da temperatura na região de corte. A implementação computacional da solução inversa e da solução direta é apresentada sob a forma de um programa de computador intitulado GRAD3D 1.0. Nesse programa, além da solução proposta para o problema térmico de usinagem é possível simular numericamente problemas térmicos correlatos. Testes experimentais unidimensionais e tridimensionais com condições controladas são apresentados para a validação do algoritmo computacional. Nos testes experimentais de usinagem, a aplicabilidade da técnica proposta é avaliada para o processo de usinagem por torneamento de uma barra de ferro fundido cinzento usando-se ferramentas de metal duro (WC) e de cerâmica (Si3N4). Apresenta-se ainda uma análise dos erros que podem estar presentes nos resultados obtidos. / Doutor em Engenharia Mecânica

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / The main objective of the present work is to study the effect of the input variables: mechanical properties of the workpiece (tensile strength, hardness and elongation) and cutting conditions (cutting speed, feed rate, depth of cut and lubri-cooling system) over the output variables: cutting forces, power consumption, cutting temperature, surface roughness (Ra, Rz and Rq parameters) and toolholder vibration in turning of aluminum alloys: 1350-O, 6082-T4, 6262-T6,7075-T73 e 7075-T6. This set of alloys covers a large range of properties of the aluminum alloys. A 2k factorial planning and a Central Composite Design (CCD) were used to determine the machining test conditions. After ANOVA and Regression analysis of the results, 2nd order models were generated, relating the input and the output variables for each aluminum alloy and also globally (considering the properties of the alloys). Surface Response Method SRM, level curves and gradient vector generated after the models were used to present and analyze the influence of the input variables and their interactions on the output parameters. Validated models used in a multi-response optimization process (genetic algorithm) identified the levels of the input variables that simultaneously optimize all the output parameters. The most important contribution of this work on the machining of aluminum alloys lies on its efficiency of describing the behavior of each machining characteristic (output variable) as a function of the input variable interactions within the range studied. Many researches on machining of aluminum alloys describe, in an isolated form, the behavior of the machining characteristics (output parameters) as functions of a few or only one factor, limiting the conclusions about the machinability of these alloys. In the present work it was observed that generally the machining output parameters varied individually according to the literature, however, new behavior, due to the interaction of the input variables, so far not described by previous work was presented. / Este trabalho objetiva estudar o efeito das variáveis de entrada: propriedades mecânicas da peça (resistência mecânica, dureza e alongamento) e condições de corte (velocidade de corte, avanço, profundidade de corte e sistema de lubri-refrigeração) sobre as variáveis de saída (respostas): forças de usinagem; potência de usinagem; temperatura de corte; parâmetros de rugosidade: Ra, Rz e Rq e vibração do suporte da ferramenta no torneamento das ligas de alumínio: 1350-O, 6082-T4, 6262-T6, 7075-T73 e 7075-T6. Estas ligas cobrem uma larga faixa de propriedades das ligas de alumínio. Para este estudo foi utilizado o planejamento fatorial 2k completo e o planejamento composto central (PCC), para determinar as condições de ensaios de usinagem. A partir de análise de variância e de regressão dos resultados foram gerados modelos de 2ª ordem, relacionando, em cada liga de alumínio, e também de forma global (considerando as propriedades das ligas), as respostas com as entradas. Superfícies de respostas, curvas de níveis e vetor gradiente gerados a partir desses modelos foram utilizados para apresentar e analisar as influências das entradas, por interação entre fatores, sobre as respostas. Modelos validados foram utilizados em um processo de otimização multiresposta (algoritmo genético), que identificou os níveis das entradas que otimizassem, simultaneamente, todas as respostas. A grande contribuição deste trabalho, relacionado com a usinabilidade das ligas de alumínio, repousa em sua capacidade de descrever o comportamento da característica de usinabilidade (resposta) em função das interações das entradas em sua região de variação. Muitas pesquisas envolvendo a usinagem das ligas de alumínio descrevem de forma isolada o comportamento das características de usinabilidade em função de alguns fatores ou apenas um único fator, o que limita grandemente as conclusões sobre a variação das características de usinabilidade. Neste trabalho se observou, de maneira geral, que as características de usinabilidade variaram de forma isolada com os fatores, de acordo com o registrado na literatura, mas novos comportamentos das características de usinabilidade, ainda não descritos na literatura, devido à interação entre fatores foram presenciados. / Doutor em Engenharia Mecânica

Pesquisadores e indústrias de todo o mundo estão firmemente comprometidos com o propósito de fazer o processo de usinagem ser precisamente veloz e produtivo. A forte concorrência mundial gerou a procura por processos de usinagem econômicos, com grande capacidade de produção de cavacos e que produzam peças com elevada qualidade. Dentre as novas tecnologias que começaram a ser empregadas, e deve tornar-se o caminho certo a ser trilhado na busca da competitividade em curto espaço de tempo, está a tecnologia de usinagem com altas velocidades (HSM de High Speed Machining). A tecnologia HSM surge como componente essencial na otimização dos esforços para manutenção e aumento da competitividade global das empresas. Durante os últimos anos a usinagem com alta velocidade tem ganhado grande importância, sendo dada uma maior atenção ao desenvolvimento e à disponibilização no mercado de máquinas-ferramentas com rotações muito elevadas (20.000 - 100.000 rpm). O processo de usinagem com alta velocidade está sendo usado não apenas para ligas de alumínio e cobre, mas também para materiais de difícil usinabilidade, como os aços temperados e superligas à base de níquel. Porém, quando se trata de materiais de difícil corte, têm-se observado poucas publicações, principalmente no processo de torneamento. Mas, antes que a tecnologia HSM possa ser empregada de uma forma econômica, todos os componentes envolvidos no processo de usinagem, incluindo a máquina, o eixo-árvore, a ferramenta e o pessoal, precisam estar afinados com as peculiaridades deste novo processo. No que diz respeito às máquinas-ferramenta, isto significa que elas têm que satisfazer requisitos particulares de segurança. As ferramentas, devido à otimização de suas geometrias, substratos e revestimentos, contribuem para o sucesso deste processo. O presente trabalho objetiva estudar o comportamento de diversas geometrias ) de insertos de cerâmica (Al2O3 + SiCw e Al2O3 + TIC) e PCBN com duas concentrações de CBN na forma padrão, assim como modificações na geometria das arestas de corte empregadas em torneamento com alta velocidade em superligas à base de níquel (Inconel 718 e Waspaloy). Os materiais foram tratados termicamente para dureza de 44 e 40 HRC respectivamente, e usinados sob condição de corte a seco e com utilização da técnica de mínima quantidade de lubrificante (minimal quantity lubricant - MQL) visando atender requisitos ambientais. As superligas à base de níquel são conhecidas como materiais de difícil usinabilidade devido à alta dureza, alta resistência mecânica em alta temperatura, afinidade para reagir com materiais da ferramenta e baixa condutividade térmica. A usinagem de superligas afeta negativamente a integridade da peça. Por essa razão, cuidados especiais devem ser tomados para assegurar a vida da ferramenta e a integridade superficial de componentes usinados por intermédio de controle dos principais parâmetros de usinagem. Experimentos foram realizados sob diversas condições de corte e geometrias de ferramentas para avaliação dos parâmetros: força de corte, temperatura, emissão acústica e integridade superficial (rugosidade superficial, tensão residual, microdureza e microestrutura) e mecanismos de desgaste. Mediante os resultados apresentados, recomenda-se à geometria de melhor desempenho nos parâmetros citados e confirma-se a eficiência da técnica MQL. Dentre as ferramentas e geometrias testadas, a que apresentou melhor desempenho foi a ferramenta cerâmica CC650 seguida da ferramenta cerâmica CC670 ambas com formato redondo e geometria 2 (chanfro em T de 0,15 x 15º com raio de aresta de 0,03 mm). / Researchers and industry personnel around the world are firmly committed to the purpose of doing the machining process dramatically faster and more precise. The tough global competition has generated a search for more economical machining processes, with high ability for chip removal and, in this way, producing high quality workpieces. Among the new technologies available nowadays, the high speed machining (HSM) is pointed out as the main solution to obtain competitiveness in a short period of time. The HSM technology appears as an essential component to optimize the efforts for maintaining, and increasing, the global competitiveness. During the last years, high speed machining technology has received great attention, specially the development and availability in the market of machine tools with high rotational speeds (20.000 - 100.000 rpm). The HSM has been used not only to machine aluminum and copper alloys, but also to difficult to machine rnaterials, such as hardened steels and nickel based superalIoys. However, for difficult to machine materiais, the literature is very incipient, specially concerning the turning process. However, before the HSM technology be used in an economic way, alI the components involved in the machining process, including the machine, the spindle, the tool and the operators, need to be tuned with the peculiarities of this new process. Concerning the tooling, they have to satisfy peculiar requirements of safety. Due to the optimization of their geometries, substrates and coatings, the cutting tools are contributing to the success of the process. The present work aims at the study of several insert geometries of ceramic tools (Al2O3 + SiCw and Al2O3 + TiC) and PCBN, with two concentrations of CBN, in the standard format and with modifications on the cutting edge geometry, working in the high speed turning of nickel based superaIloys (lnconel 718 and Waspaloy]. MateriaIs were heat treated to hardness of 44 and 40 HRC, respectively, and machined under dry cutting condition and also with minimal quantity of lubricant (MQL) to attend environmental requirements. The nickel based superalloys are known as difficult to cut materials due to their high hardness, high mechanical strength at high temperature, chemical affinity to tool materiaIs and lower thermal conductivity. The machining of superalloys affects negatively the integrity of the workpiece. For this reason, tool life and surface integrity of the machined component must be carefully analyzed throughout the control of the main machining parameters. Practical experiments were implemented using several cutting conditions and tool geometries to evaluate the following parameters: cutting force, temperature, acoustic emission and surface integrity (surface finishing, residual stress, microhardeness and microstructure) and wear mechanisms. Analyzing the results, the most suitable geometry for the mentioned parameters is recommended and the efficiency of the MQL technical is confirmed. Among all inserts and geometries tested, the CC650 ceramic tool presented better results, followed by the CC670 ceramic tool, both with round format and edge geometry number 2 (chamfer in T 0,15 x 15° with hone of 0,03 mm).

Pesquisadores e indústrias de todo o mundo estão firmemente comprometidos com o propósito de fazer o processo de usinagem ser precisamente veloz e produtivo. A forte concorrência mundial gerou a procura por processos de usinagem econômicos, com grande capacidade de produção de cavacos e que produzam peças com elevada qualidade. Dentre as novas tecnologias que começaram a ser empregadas, e deve tornar-se o caminho certo a ser trilhado na busca da competitividade em curto espaço de tempo, está a tecnologia de usinagem com altas velocidades (HSM de High Speed Machining). A tecnologia HSM surge como componente essencial na otimização dos esforços para manutenção e aumento da competitividade global das empresas. Durante os últimos anos a usinagem com alta velocidade tem ganhado grande importância, sendo dada uma maior atenção ao desenvolvimento e à disponibilização no mercado de máquinas-ferramentas com rotações muito elevadas (20.000 - 100.000 rpm). O processo de usinagem com alta velocidade está sendo usado não apenas para ligas de alumínio e cobre, mas também para materiais de difícil usinabilidade, como os aços temperados e superligas à base de níquel. Porém, quando se trata de materiais de difícil corte, têm-se observado poucas publicações, principalmente no processo de torneamento. Mas, antes que a tecnologia HSM possa ser empregada de uma forma econômica, todos os componentes envolvidos no processo de usinagem, incluindo a máquina, o eixo-árvore, a ferramenta e o pessoal, precisam estar afinados com as peculiaridades deste novo processo. No que diz respeito às máquinas-ferramenta, isto significa que elas têm que satisfazer requisitos particulares de segurança. As ferramentas, devido à otimização de suas geometrias, substratos e revestimentos, contribuem para o sucesso deste processo. O presente trabalho objetiva estudar o comportamento de diversas geometrias ) de insertos de cerâmica (Al2O3 + SiCw e Al2O3 + TIC) e PCBN com duas concentrações de CBN na forma padrão, assim como modificações na geometria das arestas de corte empregadas em torneamento com alta velocidade em superligas à base de níquel (Inconel 718 e Waspaloy). Os materiais foram tratados termicamente para dureza de 44 e 40 HRC respectivamente, e usinados sob condição de corte a seco e com utilização da técnica de mínima quantidade de lubrificante (minimal quantity lubricant - MQL) visando atender requisitos ambientais. As superligas à base de níquel são conhecidas como materiais de difícil usinabilidade devido à alta dureza, alta resistência mecânica em alta temperatura, afinidade para reagir com materiais da ferramenta e baixa condutividade térmica. A usinagem de superligas afeta negativamente a integridade da peça. Por essa razão, cuidados especiais devem ser tomados para assegurar a vida da ferramenta e a integridade superficial de componentes usinados por intermédio de controle dos principais parâmetros de usinagem. Experimentos foram realizados sob diversas condições de corte e geometrias de ferramentas para avaliação dos parâmetros: força de corte, temperatura, emissão acústica e integridade superficial (rugosidade superficial, tensão residual, microdureza e microestrutura) e mecanismos de desgaste. Mediante os resultados apresentados, recomenda-se à geometria de melhor desempenho nos parâmetros citados e confirma-se a eficiência da técnica MQL. Dentre as ferramentas e geometrias testadas, a que apresentou melhor desempenho foi a ferramenta cerâmica CC650 seguida da ferramenta cerâmica CC670 ambas com formato redondo e geometria 2 (chanfro em T de 0,15 x 15º com raio de aresta de 0,03 mm). / Researchers and industry personnel around the world are firmly committed to the purpose of doing the machining process dramatically faster and more precise. The tough global competition has generated a search for more economical machining processes, with high ability for chip removal and, in this way, producing high quality workpieces. Among the new technologies available nowadays, the high speed machining (HSM) is pointed out as the main solution to obtain competitiveness in a short period of time. The HSM technology appears as an essential component to optimize the efforts for maintaining, and increasing, the global competitiveness. During the last years, high speed machining technology has received great attention, specially the development and availability in the market of machine tools with high rotational speeds (20.000 - 100.000 rpm). The HSM has been used not only to machine aluminum and copper alloys, but also to difficult to machine rnaterials, such as hardened steels and nickel based superalIoys. However, for difficult to machine materiais, the literature is very incipient, specially concerning the turning process. However, before the HSM technology be used in an economic way, alI the components involved in the machining process, including the machine, the spindle, the tool and the operators, need to be tuned with the peculiarities of this new process. Concerning the tooling, they have to satisfy peculiar requirements of safety. Due to the optimization of their geometries, substrates and coatings, the cutting tools are contributing to the success of the process. The present work aims at the study of several insert geometries of ceramic tools (Al2O3 + SiCw and Al2O3 + TiC) and PCBN, with two concentrations of CBN, in the standard format and with modifications on the cutting edge geometry, working in the high speed turning of nickel based superaIloys (lnconel 718 and Waspaloy]. MateriaIs were heat treated to hardness of 44 and 40 HRC, respectively, and machined under dry cutting condition and also with minimal quantity of lubricant (MQL) to attend environmental requirements. The nickel based superalloys are known as difficult to cut materials due to their high hardness, high mechanical strength at high temperature, chemical affinity to tool materiaIs and lower thermal conductivity. The machining of superalloys affects negatively the integrity of the workpiece. For this reason, tool life and surface integrity of the machined component must be carefully analyzed throughout the control of the main machining parameters. Practical experiments were implemented using several cutting conditions and tool geometries to evaluate the following parameters: cutting force, temperature, acoustic emission and surface integrity (surface finishing, residual stress, microhardeness and microstructure) and wear mechanisms. Analyzing the results, the most suitable geometry for the mentioned parameters is recommended and the efficiency of the MQL technical is confirmed. Among all inserts and geometries tested, the CC650 ceramic tool presented better results, followed by the CC670 ceramic tool, both with round format and edge geometry number 2 (chamfer in T 0,15 x 15° with hone of 0,03 mm).