Orientador: Luiz Eduardo de Angelo Sanchez / Banca: Carlos Alberto Fortulan / Banca: Gilberto de Magalhães Bento Gonçalves / Resumo: A usinagem de cerâmicas avançadas geralmente é feita com o objetivo de corrigir as deformações após a etapa de sinterização, conferir precisão dimensional e qualidade superficial. Para cumprir esta tarefa é utilizada, principalmente, a retificação com rebolo de diamante sob baixas taxas de remoção de material. O torneamento com ferramenta de diamante pode ser aplicado para a maioria das cerâmicas, mas esbarram em condições limites de remoção de material, como profundidade de corte nanamétricas, que se ultrapassadas mudam o regime de remoção de dúctil para frágil. Uma alternativa é a usinagem da peça no estado verde, a qual apresenta fácil usinagem com a diminuição da introdução de defeitos prejudiciais à resistência mecânica. Após a sinterização invariavelmente ocorrem distorções devido à distribuição heterogênea de gradientes de densidade que se localizam nas porções mais externas do compactado. Na tentativa de remover estes gradientes, o presente trabalho analisou a influência da remoção de sobrematerial no estado verde na distorção da peça após a sinterização. Corpos-de-prova de alumina, com 99,8% de pureza, foram torneados com sobremateriais de 1,0, 2,0 3,0, 4,0 e 5,0 mm por uma ferramenta de metal duro sob condições constantes de usinagem. Além da distorção, outras variáveis de saída foram analisadas, com desgaste de ferramenta, força de corte (Fc) e rugosidade média aritmética (Ra) do compactado em verde e sinterizado. Os resultados apontam uma redução da distorção da peça sinterizada de até 81,4% com o maior valor de remoção de sobrematerial em verde e a influência do desgaste da ferramenta na rugosidade da peça em verde e na correspondente peça sinterizada / Abstract: Advanced ceramics machining is generally done with the objective of correcting distortions in pieces after sintering. In order to comply with this task grinding with a diamond grinding wheel is mainly used with low material removal rates. Turning can be done diamong tool to most of the ceramics, but is runs into very narrow material removal limit conditions, as nanometric cutting depths, which if exceeded change the removal system from ductile to brittle. An alternative is machining the piece on the green state, which presents easy machining without the introduction of harmful defects to mechanical resitance. However, after sintering there are invariably distortions caused by the heterogeneous distribution of density gradients that are located in the most outlying portions of the compacted. In an attempt to remove these gradients, this study examined the influence of different allowance values removed and the corresponding distortion after sintering. Alumina speciments are used for this procedure, with 99,8% purity, from which allowances of 1.0,2.0,3.0,4.0, 5.0 mm are removed by turning with a cermented carbine tool under constant machining conditions. Besides distortion, other output variables were analyzed, such as tool wear, cutting force and surface roughness of the green ceramics and the sintered. The results presents a reduction of the distortion of the sintered piece of 81,4% with the greater allowance removal values and the influence of tool wear on the green machining surface roughness and on the corresponding sintered piece / Mestre

A necessidade de produtos inovadores que suplantem a competição por preço e ofereçam conquista de mercado, além da garantia da qualidade em grandes escalas de produção, confere ao design, a engenharia e a tecnologia, numa abordagem multidisciplinar, possibilidades para solução de algumas dessas demandas. Dentre os materiais com necessidade de inovação podem ser destacadas as rochas ornamentais e de revestimento, muito utilizadas na arquitetura e construção, construção e revestimento de elementos urbanos, arte funerária, e arte e decoração. Apesar da diversidade de aplicações, percebe-se a geração de somente seis tipos básicos de produtos, todos com baixo valor agregado: blocos, chapas, placas para revestimento, ladrilhos, pisos e manufaturados em menor escala. Embora o Brasil apresente grande potencial geológico para rochas ornamentais, ocupando 5º lugar na produção mundial, sua participação no mercado se faz, na maioria das vezes, como fornecedor de rochas em bruto ou semi-acabadas. Apesar da visível expansão e do aumento da representatividade brasileira no mercado, os avanços tecnológicos utilizados no desdobramento final de rochas ornamentais se limitam ao aprimoramento dos equipamentos de corte, principalmente na durabilidade dos discos diamantados, e polimento buscando atender, num primeiro momento, os requisitos de comercialização, produção e distribuição de produtos semi-acabados. Posto este cenário percebem-se dois aspectos ainda pouco explorados em rochas ornamentais, especialmente no basalto carijó. Primeiro: a inclusão de novas tecnologias de beneficiamento e agregação de valor por processos não convencionais para este setor. Segundo: a caracterização das propriedades, principalmente a dureza e a correlação com o desgaste da ferramenta cortante. São objetivos desta pesquisa estudar e desenvolver os processos de fresamento CNC (Comando Numérico Computadorizado) em altas velocidades (High Speed Machining – HSM) no beneficiamento do basalto carijó e determinar os parâmetros de fresamento, para obtenção dos melhores padrões na relação tempo de usinagem versus desgaste da ferramenta versus abrasão do material, e replicar os resultados obtidos nas amostras. Os resultados obtidos mostram que a matéria prima utilizada, por ser natural, apresenta grandes variações de composição e dureza não permitindo a determinação de um parâmetro de fresamento específico. No entanto foi possível traçar, com o a utilização de um pós-processador desenvolvido especificamente para este estudo, um mapa de tomada de decisão que serve como facilitador na execução deste processo. / The need for innovative products that supplant the competition by offering price and market conquest, and quality assurance in large-scale production, gives the design, engineering and technology, a multidisciplinary approach, possibilities for solving some of these demands. Among the materials in need of innovation can be highlighted and the ornamental coating, widely used in building and construction, construction and finish of urban elements, funerary art, and art and decoration. Despite the diversity of applications, we can see the generation of only six basic types of products, all with low added value, blocks, plates, boards, cladding, tiles, floors and manufactured on a smaller scale. Although Brazil presents a great geological potential for ornamental rocks, occupying fifth place in world production, its market share if it does, mostly, as the supplier of rocks, raw or semi-finished. Despite the visible expansion and increased representation in the Brazilian market, the technological advances used in the final unfolding of ornamental stones are confined to the improvement of the cutting equipment, especially in the durability of diamond blades, polishing and trying to meet, at first, the requirements marketing, production and distribution of semi-finished products. Tour this scenario, two aspects are perceived largely unexplored in stone, especially on basalt carijó. First, the inclusion of new technologies for processing and adding value by unconventional methods for this sector. Second, the characterization of the properties, especially hardness and correlation with cutting tool wear. The objectives of this research study and develop the processes of milling CNC (Computerized Numerical Control) at high speeds (High Speed Machining - HSM) in the processing of basalt carijó determining the parameters of milling, to obtain the best standards in the relationship versus machining time tool wear versus abrasion material, and replicating the results obtained in the samples. The results show that the raw material used is natural presents large variations in composition and hardness does not allow the determination of a parameter specific milling. However it was possible to trace, with the the use of a post-processor developed specifically for this study, a statement of decision making that serves as a facilitator in the implementation of this process.

Neste trabalho foram investigadas as influências de alguns dos principais fatores do torneamento sobre o acabamento da superfície, rugosidade, tensões residuais e microdureza em um conjunto de amostras. Foram analisadas barras de aço ABNT 1045 torneadas e utilizou-se a técnica de planejamento de experimentos (DoE) para formar trinta e duas diferentes combinações de fatores, analisar suas interações e sua influência no acabamento de cada amostra. Os fatores de usinagem investigados foram: (1) avanço, (2) velocidade de corte, (3) raio de quina, (4) ângulo de saída e (5) posição axial. Analises fatoriais foi avaliaram a influência dos cinco fatores na rugosidade média (Ra) e a eficácia de cada conjunto de fatores em obter o acabamento alvo (Ir). Utilizou-se a técnica de difração de raios-X para medir as tensões residuais em sete das dezesseis amostras. As tensões foram medidas na superfície e em profundidades de 5, 10, 20, 50 e 75 μm com auxílio de ataque eletrolítico. Por fim foi realizada análise metalográfica da superfície usinada e perfil de microdureza. Os resultados mostraram que o avanço e o raio de quina possuem elevado efeito padronizado em ambas as análises. Porém, para ambos, enquanto que a aplicação de um menor avanço (ou maior raio de quina) produziu superfícies com baixo Ra, por outro lado também prejudicou a eficácia do torneamento pois contribuiu para obtenção de rugosidade significativamente maior que a teórica. Já o fator velocidade de corte quando teve seu valor elevado foi benéfico ao processo em ambas as análises. Não foi encontrada relevância da região de medição da rugosidade sobre Ra. As tensões residuais sofreram elevada influência dos fatores avanço e velocidade de corte, enquanto o ângulo de saída e o raio de quina mostraram pequeno efeito. A qualidade do acabamento da superfície, regular ou irregular, apresentou relação direta com o mecanismo de geração das tensões residuais. O perfil de microdureza medido mostrou valores de dureza elevados nas amostras com superfície regular e em regiões com maior tensão residual. / This paper investigated the influence of some of the main turning parameters in surface finishing, roughness, residual stress and microhardness of turning samples. Design of experiments (DoE) approach controlled the machining factors of the 0.45%C (ABNT 1045) steel bars samples. DoE also were applied to organize a total of thirty-two parameters combination, analyze its interactions and influences in each sample’s surface finish. Machining parameters investigated were: (1) feed rate, (2) cutting speed, (3) nose radius, (4) rake angle and (5) region of roughness measurement. Factorial analysis evaluated the influence of those five parameters in the average roughness (Ra) and the accuracy of each parameters combination to achieve the expected surface finish (Ir). The X-ray diffraction technique was used to measure the residual stresses in seven out of sixteen samples. The tensions were measured at their surface and at depths of 5, 10, 20, 50 and 75 μm by means of electrochemical material removal. In addition metallographic analysis of the machined surface and microhardness profile were conducted. Results showed that parameters as feed rate and nose radius have strong standardized effect in both factorial analysis. Results shown that reduction of the feed rate (or increase in nose radius) were able to produce lower roughness average (Ra) but, on the other hand, it also contribute to generate a surface roughness significant higher than theoretical roughness. The increase in cutting speed was beneficial to both, achieving a lower roughness average and improving process accuracy. The region of roughness measurement was found not significant to influence Ra. The residual stresses were strongly influenced by the feed rate and cutting speed factors, while the rake angle and nose radius showed small effect. The quality of the surface finish, regular or irregular, was directly related to residual stresses generation mechanism. The microhardness profile shown higher microhardness in samples with regular surface finish and in depths with higher residual stress.

O estudo de usinabilidade de um material é muito importante para a determinação das características de fabricação por usinagem. Este estudo se aplica ao aço inoxidável martensítico AISI 420 C endurecido, usado na fabricação de peças de alta precisão, instrumentos cirúrgicos, eixos, turbinas e cutelaria. Deste modo, realizaram-se investigações utilizando corpos de prova endurecidos (têmpera e revenimento) com durezas de (48  1) e (53  2) HRC no torneamento a seco utilizando ferramentas de metal-duro classe ISO S com grãos extrafinos e revestimento PVD. Para estes corpos de prova variaram-se a velocidade de corte e o avanço e avaliaram-se as forças de usinagem e as tensões residuais geradas na peça. Para o material com 53 HRC, também foram analisadas a vida da ferramenta e a rugosidade. Na análise dos resultados obtidos para o material com 48 HRC, as tensões residuais tornaram-se menos compressivas (circunferencial) e mais trativas (axial) com o aumento do avanço. Além disso, os menores valores de tensão residual foram gerados utilizando menor avanço com maior velocidade de corte. Nos ensaios para o material a 53 HRC, o tempo de vida da ferramenta ficou entre 100 e 350 min para as condições ensaiadas. Os desgastes de flanco e entalhe foram evidenciados em todas as situações. O flanco da ferramenta também apresentou adesão de material da peça em todas as condições. Ao analisar os insertos em seu fim de vida, constatou-se que os mecanismos de desgastes predominantes foram a abrasão e o atrittion. Nas condições mais severas, a superfície da ferramenta exibiu trincas mecânicas e a camada subsuperficial da peça apresentou modificações microestruturais. Os perfis e os parâmetros de rugosidade registrados foram afetados pelo desgaste ao longo da vida da ferramenta. Com relação às tensões residuais circunferenciais geradas com a ferramenta nova, estas foram, em sua maioria, tensões de compressão. Com a progressão do desgaste de flanco, houve um aumento dos valores das tensões (de compressivas para menos compressivas ou até mesmo trativas). Já para as tensões axiais, os valores mostraram a tendência de se manterem compressivos. Observou-se para os perfis de tensões analisados que as tensões residuais foram compressivas e dependeram da profundidade da camada subsuperficial. Portanto, dentro das condições estudadas, conclui-se que peças de AISI 420 C endurecido podem ser fabricadas por torneamento de acabamento com ferramentas de metal-duro, permitindo obter vida longa para a ferramenta de corte, baixos valores de rugosidade, bem como valores de tensão residual compressiva, que são dados de usinabilidade importantes para esse material. / The study of the material’s machinability is very important for the determination of important machining properties. This logic applies to hardened martensitic stainless steel AISI 420 C used in the manufacture of high precision parts, surgical instruments, shafts, turbines and cutlery. In this way, investigations were carried out using hardened workpieces (quenching and tempering) with hardness of (48  1) and (53  2 HRC) in dry turning using ISO-S grade carbide tools with extra-fine grains and PVD coating. For these workpieces, the cutting speed and the feed rate were varied and the machining forces and the residual stresses generated in the part were evaluated. For the material with 53 HRC, the tool-life and the surface roughness were also analyzed. In the analysis of the results obtained for the material with 48 HRC, residual stresses become less compressive (circumferential direction) and more tensile (axial direction) with increasing feed-rate. Moreover, smaller values of residual stress were generated using lower feed-rate at higher cutting speed. In the tests for the material at 53 HRC, the tool-life was between 100 and 350 min for the conditions tested. Flank and notch wear were evidenced in all situations. The flank face of the tool also showed adhesion of the workpiece material under all cutting conditions. When analyzing the inserts at their end of life, it was verified that the main mechanisms of tool wear were abrasion and attrition. In addition, under the most severe cutting conditions, the flank face of the tool exhibited mechanical cracks and the subsurface layer of the workpieces presented microstructural modifications. The registered profiles and roughness parameters were affected by wear during the tool-life. With respect to the circumferential residual stresses generated with the fresh tool, these were mostly compressive stresses. With the progression of tool flank wear, there was an increase in the values of the residual stress (from compressive to less compressive or even tractive). For the axial residual stresses, the values showed a tendency to remain compressive. It was observed for the residual stress profiles analyzed that the residual stresses were compressive and depended on the depth of subsurface layer. Therefore, within the cutting conditions considered, it can be concluded that hardened martensitic stainless steel AISI 420 C parts can be manufactured by finishing turning with carbide tools, allowing long tool-life, low surface roughness values, as well as compressive residual stress values, which are important machinability information for this material.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. / Made available in DSpace on 2012-10-17T19:27:40Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2014-09-25T18:48:46Z : No. of bitstreams: 1 178064.pdf: 47402319 bytes, checksum: acaf30710cd54c1f48d801373558e7ae (MD5)

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnologico / Made available in DSpace on 2012-10-16T08:46:02Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2016-01-08T19:29:25Z : No. of bitstreams: 1 104038.pdf: 7981948 bytes, checksum: db3647255596e8f7829248cb836bd7d8 (MD5) / Este trabalho teve o objetivo de conhecer e desenvolver a tecnologia do processo de furação, otimizando a afiação da ponta e parâmetros de corte d par ferramenta/material de corte, para a usinagem do aço inoxidável austenítico DIN 1.4541. Para isto, estudou-se profundamente o processo de furação, materiais e tipos de ferramentas de corte, lubrificação e suas características, forças que envolvem o corte na furação, formas de cavacos, etc., colhendo dados importantes para a otimização do processo.

Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. / Made available in DSpace on 2012-10-17T01:27:10Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2016-01-08T21:53:24Z : No. of bitstreams: 1 143984.pdf: 5252282 bytes, checksum: 7b2d65b891f853cb5c0df910222c5caa (MD5)

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. / Made available in DSpace on 2012-10-17T10:23:08Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2014-09-25T16:40:23Z : No. of bitstreams: 1 173825.pdf: 15405509 bytes, checksum: 26d52267500e9ee4536b6abc4a03eea6 (MD5) / Diversos aspectos da vida moderna têm contribuído para o agravamento da situação ambiental. Os processos industriais de produção são apontados como um dos principais responsáveis por essa situação, pois neles temos as maiores transformações de materiais e energia. Dentre os processos de manufatura do setor metal-mecânico, a usinagem é seguramente o mais amplamente utilizado e a quantidade e variedade de materiais residuais e emissões é significativa. Os fluidos de corte apresentam-se como agentes de melhoria dos aspectos tecnológicos da usinagem, entretanto no momento em que devem ser descartados após serem deteriorados pela sua utilização, tais produtos provocam de uma forma ou de outra, algum tipo de agressão ao meio ambiente. Este trabalho apresenta os principais aspectos nocivos ao longo do ciclo de vida dos fluidos de corte utilizados em processos convencionais de usinagem e também os resultados da avaliação do potencial tóxico de alguns fluidos de corte, obtida através da realização de testes de toxicidade aguda em ambiente aquático utilizando como bioindicadores peixes da espécie Poecilia reticulata e microcrustáceos da espécie Daphnia magna. Estes testes foram realizados com o propósito de se obter a Concentração Letal Média (CL50) para os peixes e a Concentração Efetiva Média (CE50) para os microcrustáceos dos fluidos de corte avaliados. Os resultados obtidos para CL50 e CE50 indicam que tais produtos possuem potencial tóxico elevado o que reforça a necessidade de cuidados especiais no manuseio, utlização e descarte desses produtos.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2012-10-24T15:51:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 261051.pdf: 5566527 bytes, checksum: ede51d380b5b4573fe2626d235348681 (MD5) / O processo de eletroerosão por fio é utilizado atualmente na fabricação da maioria das matrizes e punções de metal duro (carbeto de tungstênio), usados em ferramentas de estampagem de aços para motores elétricos. As indústrias de eletrodomésticos, motores elétricos industriais, transformadores e compressores herméticos, utilizam ferramentas progressivas de estampagem, justificando um melhor conhecimento do processo de fabricação por eletroerosão por fio (Wire Electrical Discharge Machining - WEDM). O emprego de condições de trabalho não adequadas introduz defeitos na camada limite dos punções e matrizes que resultam numa diminuição drástica da vida destes componentes. Na presente dissertação, foi realizado um estudo para o aprimoramento do processo de usinagem do metal duro por WEDM, com foco na diminuição das danificações causadas na superfície usinada para aumentar a vida de matrizes e punções, como também aumentar o rendimento do processo de fabricação destes elementos de corte. Para isto, foi realizada uma análise das variáveis de entrada e sua influência sobre as características e sobre o resultado de trabalho. A característica de processo verificada foi limitada à taxa de corte (por limitações técnicas no equipamento). O resultado de trabalho foi avaliado pela exatidão geométrica dos componentes produzidos, pela forma e extensão das microtrincas, pela extensão da zona termicamente afetada e pelas características verticais da rugosidade. A partir dos resultados obtidos foi possível recomendar condições mais favoráveis de trabalho, resultando tanto em uma vida mais longa das matrizes e punções como também numa minimização dos custos de produção destes elementos de corte de metal duro. The process of wire electrical discharge machining is currently used in manufacturing most hard metal (tungsten carbide) dies and punches, used in steel stamping tools for electric motors. The home appliance, industrial electric motor, transformer and hermetic compressor industries, use progressive stamping tools, justifying a better understanding of the manufacturing process by Wire Electrical Discharge Machining # WEDM. An unsuitable working condition introduces defects in the layer limits of punches and dies that result in a drastic reduction in the life of these components. In this dissertation, a study was conducted to improve the machining process of hard metal by WEDM, with a focus on reducing the damages produced on the machined surface to increase the life of the dies and punches, and to also increase the productivity of the manufacturing process of these cutting elements. For this, an analysis was carried out of the input variables and their influence on the characteristics and the result of the work. The characteristic of the verified process was limited to the cutting rate (by the equipment#s technical limitations). The result of the work was evaluated by the geometric accuracy of the components produced, by the form and extent of the micro-cracks, by the extent of the zone thermally affected and by the vertical aspects of the roughness. From the results obtained it was possible to recommend more favorable work conditions, resulting in a longer life for the dies and punches as well as production cost minimization of these hard metal cutting items.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2010 / Made available in DSpace on 2012-10-25T07:02:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 285841.pdf: 6104469 bytes, checksum: 6b8eca3d32dba7f1f30b781220949f4d (MD5) / Atualmente os robôs são majoritariamente empregados em operações que não impõem restrições ao movimento de seus efetuadores. É o caso das tarefas envolvendo manipulação de materiais, pintura e soldagem. Na presença de restrições, como nas tarefas de usinagem, seu emprego é bem reduzido, decorrente das limitações científico-tecnológicas ainda existentes. Neste caso, além de realizar um movimento com restrição, o robô aplicará uma força originada pelo corte do material. O robô deverá ser capaz de realizar a remoção do material, dentro das especificações de projeto, sem que a força aplicada ultrapasse os limites físicos da ferramenta e do robô. Buscando atender a estas exigências operacionais, desenvolve-se neste trabalho um modelo matemático de caráter inédito, representativo das forças de interação que se manifestam entre o robô e o meio, que, trabalhando em conjunto com algumas estratégias de controle pré-selecionadas, garanta o cumprimento da tarefa requisitada. O modelo matemático desenvolvido é válido para uma diversidade de ferramentas cortantes que possuam as três componentes ortogonais de força definidas no espaço cartesiano. Como exemplos destas ferramentas têm-se o rebolo, a fresa de disco de dentes retos e a fresa de topo com haste cilíndrica, todas consideradas ao longo do texto no intuito de auxiliar no desenvolvimento do modelo. Os objetivos desta tese são a síntese deste modelo, assim como das estratégias de controle de rigidez e por impedância, além da análise de estabilidade do sistema em malha fechada com cada uma destas estratégias de controle. / Nowadays the robots are currently employed in operations that do not impose constraints to the displacement of their end effectors. It is the case of tasks involving material handling, painting and welding. In the presence of constraints, such as those on machining tasks, they are rarely used, because of the still existing scientific-technological limitations. In this case, in addition to performing a constrained displacement, the robot will apply a force originated by the cut of the material. The robot should be able to perform the removal of material, within the design specifications, without allowing the applied force to exceed the physical limits of the tool and the robot. Looking to meet these operational demands, a novel mathematical model, representative of the interaction forces that arise between the robot and the environment, is developed, which, working in conjunction with some pre-selected control strategies, ensures the achievement of the requested task. The mathematical model developed is valid for a diversity of cutting tools that have the three orthogonal components of force defined in Cartesian space. As examples of these tools one has the grinding wheel, the peripheral mill and the endmill with cylindrical shank, all considered throughout the text in order to assist in the development of the model. The goals of this thesis are the synthesis of this model, as well as the control strategies of compliance and impedance, beyond the stability analysis of the closed loop system with each of these control strategies.