Self-excited chatter vibration in machining is one of the most important limitations on utilizing the increasing productivity of modern machine tools. In order to predict stable depth of cuts at high cutting speeds, the stability lobe diagram for a spindle-tool holder-tool combination must be developed. The frequency response function (FRF) of the system must be known for analytical prediction of the stability lobe diagrams. When the flexibility of the workpiece is important, the workpiece itself should be included in the system model by considering the variation of its dynamics at different stages of the machining process. In this thesis, an exact structural modification method is used to find the frequency response functions of the workpiece to be machined at every stage of the machining process. In order to obtain the system matrices and the modal parameters of the original structure, a commercial finite element program MSC. Marc&copy / is used. The frequency response functions of workpiece are calculated by using the computer program developed in this thesis, and are compared with the ones found by MSC. Marc&copy / . The stability lobe diagram of the system is obtained by combining the FRFs of the tool with those of the workpiece. The effects of the dynamic of the workpiece on the stability lobe diagrams are studied extensively by using the results of case studies presented in this thesis. In order to increase productivity, minimum chatter-free machining times are also calculated for different cases. For this purpose the effects of the different radial depth of cuts and different cutting strategies on the stability and the machining time are examined with various case studies.

The objective of this study is to develop and implement practical and accurate methods for prediction of the workpiece dynamics during a complete machining cycle of the workpiece, so that FRFs of the workpiece can be used in chatter stability analysis. For this purpose, a structural modification method is used since it is an efficient tool for updating FRFs due to structural modifications. The removed mass is considered as a structural modification to the finished workpiece in order to determine the FRFs at different stages of the process. The method is implemented in a computer code and demonstrated on representative parts such as turbine blades. The predictions are compared and verified with the data obtained using FEA. The FRFs are used in chatter stability analyses, and the effect of part dynamics on stability is studied.

O chatter é o principal problema de instabilidade nos processos de usinagem, e é causado pelas ondulações deixadas na superfície durante cortes sucessivos, ou chamado processo de regeneração, e é caracterizado pelo ruído e qualidade superficial ruim nas superfícies usinadas. Portanto, a comunidade científica tem se preocupado em desenvolver ações, tanto para a predição do fenômeno, como para desenvolver estratégias para sua redução. Neste trabalho avalia-se numérica e experimentalmente, a utilização de pastilhas piezelétricas acopladas no suporte da ferramenta, e aplicando estratégias de controle passivo e ativo, procurando a redução do chatter em processos de torneamento. A solução passiva consiste em conectar os terminais das pastilhas piezelétricas a um circuito elétrico dissipador de energia. A solução ativa propõe usar uma das pastilhas como sensor e a outra como atuador para aplicar leis de controle de realimentação. Na avaliação numérica foi considerado um modelo eletromecânico de parâmetros distribuídos usando a teoria de viga engastada de Euler-Bernoulli, e as equações constitutivas elétricas e mecânicas do material piezelétrico. A comparação das funções de resposta em frequência (FRFs) do sistema, obtidas numericamente, mostra uma adição de amortecimento ao sistema quando é usado um circuito de dissipação com uma resistência e uma indutância como solução passiva. A avaliação numérica da solução ativa indica que o controle de realimentação de velocidade adiciona amortecimento do sistema. A melhora da estabilidade no processo de torneamento destas duas estratégias é comprovada num diagrama de lóbulos de estabilidade. Na parte experimental foram obtidas as funções de resposta em frequência do sistema suporte da ferramenta, usando um sistema de aquisição de dados, com o fim de comparar as magnitudes da resposta, e foram feitos testes de torneamento com o fim de comparar qualitativamente as qualidades superficiais obtidas nas peças usinadas. A medição das FRFs com circuitos de dissipação indicou uma atenuação da resposta para um sistema com circuito em série, estratégia que foi avaliada em testes de torneamento, e mostrando uma melhora no acabamento superficial. / Chatter is the main problem of instability in machining processes, caused by the modulations left on the surface during the successive cuts, called regeneration process, and is characterized by violent vibrations, noise and poor surface quality on machined surfaces. Thus, the scientific community has been concerned with developing actions for both the phenomenom prediction, and developing strategies to reduce them. This work evaluates numerically and experimentally the use of piezoelectric layers embedded to the tool-holder, and applying active and passive strategies trying to reduce the chatter in turning processes. For the passive case, the conductive electrode pairs of the piezoelectric layers are connected to a shunt circuit which modifies the system dynamics. The active solution proposes to use one of the piezoelectric layers as sensor an the other one as actuator, in order to apply feedback control laws. A numerical evaluation considers an electromechanical distributed parameter model based on Euler- Bernoulli cantilever beam theory, and the electrical and mechanical constitutive equations of the piezoelectric material. A comparison of the system frequency response functions (FRFs), numerically obtained, shows an increase of system damping when a resistive-inductive shunt circuit is used as a passive solution. The numerical evaluation of the active solution shows that the velocity feedback control increases the system damping. The turning process stability improvement using both strategies, is shown in a stability lobe diagram. Frequency response functions of the tool-holder system were obtained experimentally using a data acquisition system, in order to compare the response amplitudes. Turning tests were performed in order to compare surface qualities obtained of machined parts. Measurement of FRFs using series resistive-inductive shunt circuits shows a system response attenuation, later this strategy was evaluated in turning tests, showing an improvement in surface finish.

O aumento da produtividade é sem dúvida um dos maiores desafios para a indústria de manufatura. Neste sentido, a vibração tem se apresentado ao longo das últimas décadas como um dos principais limitantes para a melhoria da produtividade, especialmente em operações de usinagem. Nos últimos anos muitas pesquisas foram conduzidas com o objetivo de suprimir ou minimizar os efeitos causados pelo fenômeno de vibrações regenerativas ou chatter. Este trabalho contribui propondo o desenvolvimento de um método para minimizar os efeitos da vibração em operações de torneamento por meio da variação dinâmica de parâmetros de corte relacionados com a área da seção de corte. No presente estudo optou-se pela operação de torneamento cilíndrico e a atuação dinâmica na profundidade de usinagem. Uma análise teórica e uma verificação das condições técnicas necessárias para a aplicação do método proposto são apresentadas. Além disso, simulações numéricas foram realizadas para verificação dos modelos analíticos e correlação com os ensaios práticos. Finalmente, utilizou-se o método em um processo de usinagem real e os resultados demonstram que é possível minimizar consideravelmente os efeitos do fenômeno de chatter variando dinamicamente a profundidade de usinagem sem afetar a qualidade final da peça usinada. / Improve productivity is with no doubts one of the greatest challenges for manufacturing industries nowadays. In that way, chatter vibrations has been arisen in last decades as a major limiting issue for productivity, especially on machining operations. In the last years many investigations has been carried out to suppress or minimize chatter vibrations effects on machining. In this work a development of a method to minimize chatters vibrations on turning operations by dynamically variation of cross section of the chip is proposed. Cylindrical turning operation was selected as the main target for this study and depth of cut as the parameter to be dynamically varied. A theoretical and essentials technical features analyses to apply the proposed method on a market machine tool are. Furthermore, numerical simulations were performed to validate and correlate analytical model to practical experiments. Finally, the proposed model was applied on real machining process and the results show that it is possible to substantially minimize the chatter vibration phenomenon by dynamically variation on depth of cut without affect the surface finishing.

De uma forma geral, conhecer os limites de estabilidade dinâmica de uma máquinaferramenta durante a usinagem, é um desafio para o fabricante de máquinasferramentas, bem como, para o usuário, que precisa escolher uma máquina que garanta a produtividade desejada. Neste trabalho, um modelo teórico foi utilizado para o desenvolvimento de um método de comparação dos limites de estabilidade dinâmica entre máquinas-ferramentas. Duas ferramentas de corte com seus respectivos sistemas de fixação foram selecionados, uma apropriada às operações de desbaste e outra às operações de acabamento. Utilizando as constantes de corte relacionadas ao material selecionado e a geometria das ferramentas, obteve-se experimentalmente o diagrama de estabilidade para três máquinas sob teste, e utilizando-os, comparou-se os limites de estabilidade para cada máquina, o que ilustra a utilização do método em desenvolvimento. A validação e a precisão dos diagramas foram realizadas por meio de ensaios de usinagem em uma das máquinas sob investigação. Os primeiros resultados demonstram as diferenças entre máquinas-ferramentas usando-se como critério a sua estabilidade dinâmica avaliada pelo diagrama de lóbulos. Os critérios e conceitos aqui discutidos contribuíram para o conhecimento do desempenho e produtividade das máquinas-ferramentas. / Knowing the dynamic stability of a machine tool during the metal cutting process is a challenge to the machine tool builder as well as to the end user, especially when choosing or selecting a machine that achieves the desired productivity and performance. This document proposes and describes a theoretical model to determine a method to compare the dynamic stability limits among several machine tools. Two different tool systems were previously selected and addressed, one of them for roughing and another for finishing operations. Using metal cutting constants related to the selected materials and tool geometry, the stability diagram was obtained experimentally for all the three different machine tools and they were used to compare the dynamic stability limits amongst machines illustrating the application of the developed method. The validation of the proposed method was achieved by machining tests executed in one of the machines under investigation. The first results, based on the practical experiments, show the differences amongst machine tools using as criterion the dynamic stability evaluated by the stability lobe diagram. Such concept has contributed to enhance the knowledge on the machine tool productivity and performance.

O objetivo deste trabalho é estudar as interações dinâmicas entre um rebolo de CBN vitrificado e a peças de baixa rigidez estrutural na retificação de alta velocidade utilizando materiais difíceis de retificar (DTG). Este problema é característico da retificação de válvulas de motores à combustão interna. O banco de testes utilizado foi uma retificadora cilíndrica de altas velocidades de corte junto com um sistema de vibração composto por excitador eletrodinâmico e amplificador. A máquina foi equipada com sensores de emissão acústica, aceleração, potência e proximidade. Além disso, foram utilizados dois sistemas para a aquisição dos sinais, sendo um computador para a aquisição da emissão acústica, rotação do rebolo e potência consumida e o outro para a aquisição dos sinais de aceleração e geração do sinal para o excitador eletrodinâmico. Experimentos foram realizados no intuito de observar a influência das vibrações no desgaste do rebolo. A influência da força tangencial por grão abrasivo foi investigada como uma importante variável de controle na determinação da relação G. As medições dos sinais de emissão acústica, potência e vibração ajudaram na identificação da relação entre as interações dinâmicas (produzidas pela excitação forçada aleatória) e o desgaste da ferramenta. O fenômeno do chatter regenerativo (vibração auto-excitada) foi observado utilizando o método do mapa acústico. Os resultados indicam que existe um valor limite de velocidade de vibração acima do qual ocorre uma mudança do mecanismo predominante de desgaste do rebolo. Outro importante fenômeno observado é a mudança de característica do rebolo quando ocorre excitação forçada no processo, fazendo com que o rebolo atue como uma ferramenta de maior grão abrasivo. / The aim of this work is to study the wheel/workpiece dynamic interactions in high speed grinding using vitrified CBN wheel and low stiffness workpieces made of difficult-to-grind (DTG) materials. This problem is typical in the grinding of engine valve heads. The test bench used is a high speed grinding machine with an excitation system composed of an electrodynamic exciter (shaker) and an amplifier. The machine was equipped with acoustic emission, acceleration, power and proximity sensors. Two different systems were used to perform the acquisition of these signals, with one computer being utilized to acquire the acoustic emission, power and rotary signals and another in charge of acquiring the acceleration signal as well as generating the excitation signal to the shaker. Experiments were carried out to observe the influence of vibrations in the wheel wear. The influence of tangential force per abrasive grain was investigated as an important control variable for the determination of G ratio. The measurements of acoustic emission, power and vibration signals helped in identifying the correlation between the dynamic interactions (produced by forced random excitation) and the wheel wear. The wheel regenerative chatter phenomenon was observed by using the wheel mapping technique. The results indicate the existence of a vibration velocity limit value above which there is a change in the major wear mechanism of the wheel. Another important observed phenomenon, when the process is dynamically excited, is the modification of the chip formation mechanism which makes the wheel to work as a rougher toll.

O aumento da produtividade é sem dúvida um dos maiores desafios para a indústria de manufatura. Neste sentido, a vibração tem se apresentado ao longo das últimas décadas como um dos principais limitantes para a melhoria da produtividade, especialmente em operações de usinagem. Nos últimos anos muitas pesquisas foram conduzidas com o objetivo de suprimir ou minimizar os efeitos causados pelo fenômeno de vibrações regenerativas ou chatter. Este trabalho contribui propondo o desenvolvimento de um método para minimizar os efeitos da vibração em operações de torneamento por meio da variação dinâmica de parâmetros de corte relacionados com a área da seção de corte. No presente estudo optou-se pela operação de torneamento cilíndrico e a atuação dinâmica na profundidade de usinagem. Uma análise teórica e uma verificação das condições técnicas necessárias para a aplicação do método proposto são apresentadas. Além disso, simulações numéricas foram realizadas para verificação dos modelos analíticos e correlação com os ensaios práticos. Finalmente, utilizou-se o método em um processo de usinagem real e os resultados demonstram que é possível minimizar consideravelmente os efeitos do fenômeno de chatter variando dinamicamente a profundidade de usinagem sem afetar a qualidade final da peça usinada. / Improve productivity is with no doubts one of the greatest challenges for manufacturing industries nowadays. In that way, chatter vibrations has been arisen in last decades as a major limiting issue for productivity, especially on machining operations. In the last years many investigations has been carried out to suppress or minimize chatter vibrations effects on machining. In this work a development of a method to minimize chatters vibrations on turning operations by dynamically variation of cross section of the chip is proposed. Cylindrical turning operation was selected as the main target for this study and depth of cut as the parameter to be dynamically varied. A theoretical and essentials technical features analyses to apply the proposed method on a market machine tool are. Furthermore, numerical simulations were performed to validate and correlate analytical model to practical experiments. Finally, the proposed model was applied on real machining process and the results show that it is possible to substantially minimize the chatter vibration phenomenon by dynamically variation on depth of cut without affect the surface finishing.

De uma forma geral, conhecer os limites de estabilidade dinâmica de uma máquinaferramenta durante a usinagem, é um desafio para o fabricante de máquinasferramentas, bem como, para o usuário, que precisa escolher uma máquina que garanta a produtividade desejada. Neste trabalho, um modelo teórico foi utilizado para o desenvolvimento de um método de comparação dos limites de estabilidade dinâmica entre máquinas-ferramentas. Duas ferramentas de corte com seus respectivos sistemas de fixação foram selecionados, uma apropriada às operações de desbaste e outra às operações de acabamento. Utilizando as constantes de corte relacionadas ao material selecionado e a geometria das ferramentas, obteve-se experimentalmente o diagrama de estabilidade para três máquinas sob teste, e utilizando-os, comparou-se os limites de estabilidade para cada máquina, o que ilustra a utilização do método em desenvolvimento. A validação e a precisão dos diagramas foram realizadas por meio de ensaios de usinagem em uma das máquinas sob investigação. Os primeiros resultados demonstram as diferenças entre máquinas-ferramentas usando-se como critério a sua estabilidade dinâmica avaliada pelo diagrama de lóbulos. Os critérios e conceitos aqui discutidos contribuíram para o conhecimento do desempenho e produtividade das máquinas-ferramentas. / Knowing the dynamic stability of a machine tool during the metal cutting process is a challenge to the machine tool builder as well as to the end user, especially when choosing or selecting a machine that achieves the desired productivity and performance. This document proposes and describes a theoretical model to determine a method to compare the dynamic stability limits among several machine tools. Two different tool systems were previously selected and addressed, one of them for roughing and another for finishing operations. Using metal cutting constants related to the selected materials and tool geometry, the stability diagram was obtained experimentally for all the three different machine tools and they were used to compare the dynamic stability limits amongst machines illustrating the application of the developed method. The validation of the proposed method was achieved by machining tests executed in one of the machines under investigation. The first results, based on the practical experiments, show the differences amongst machine tools using as criterion the dynamic stability evaluated by the stability lobe diagram. Such concept has contributed to enhance the knowledge on the machine tool productivity and performance.

O objetivo deste trabalho é estudar as interações dinâmicas entre um rebolo de CBN vitrificado e a peças de baixa rigidez estrutural na retificação de alta velocidade utilizando materiais difíceis de retificar (DTG). Este problema é característico da retificação de válvulas de motores à combustão interna. O banco de testes utilizado foi uma retificadora cilíndrica de altas velocidades de corte junto com um sistema de vibração composto por excitador eletrodinâmico e amplificador. A máquina foi equipada com sensores de emissão acústica, aceleração, potência e proximidade. Além disso, foram utilizados dois sistemas para a aquisição dos sinais, sendo um computador para a aquisição da emissão acústica, rotação do rebolo e potência consumida e o outro para a aquisição dos sinais de aceleração e geração do sinal para o excitador eletrodinâmico. Experimentos foram realizados no intuito de observar a influência das vibrações no desgaste do rebolo. A influência da força tangencial por grão abrasivo foi investigada como uma importante variável de controle na determinação da relação G. As medições dos sinais de emissão acústica, potência e vibração ajudaram na identificação da relação entre as interações dinâmicas (produzidas pela excitação forçada aleatória) e o desgaste da ferramenta. O fenômeno do chatter regenerativo (vibração auto-excitada) foi observado utilizando o método do mapa acústico. Os resultados indicam que existe um valor limite de velocidade de vibração acima do qual ocorre uma mudança do mecanismo predominante de desgaste do rebolo. Outro importante fenômeno observado é a mudança de característica do rebolo quando ocorre excitação forçada no processo, fazendo com que o rebolo atue como uma ferramenta de maior grão abrasivo. / The aim of this work is to study the wheel/workpiece dynamic interactions in high speed grinding using vitrified CBN wheel and low stiffness workpieces made of difficult-to-grind (DTG) materials. This problem is typical in the grinding of engine valve heads. The test bench used is a high speed grinding machine with an excitation system composed of an electrodynamic exciter (shaker) and an amplifier. The machine was equipped with acoustic emission, acceleration, power and proximity sensors. Two different systems were used to perform the acquisition of these signals, with one computer being utilized to acquire the acoustic emission, power and rotary signals and another in charge of acquiring the acceleration signal as well as generating the excitation signal to the shaker. Experiments were carried out to observe the influence of vibrations in the wheel wear. The influence of tangential force per abrasive grain was investigated as an important control variable for the determination of G ratio. The measurements of acoustic emission, power and vibration signals helped in identifying the correlation between the dynamic interactions (produced by forced random excitation) and the wheel wear. The wheel regenerative chatter phenomenon was observed by using the wheel mapping technique. The results indicate the existence of a vibration velocity limit value above which there is a change in the major wear mechanism of the wheel. Another important observed phenomenon, when the process is dynamically excited, is the modification of the chip formation mechanism which makes the wheel to work as a rougher toll.

Vibrações mecânicas oferecem grande limitação para a produtividade, qualidade ou mesmo viabilidade das operações de usinagem, especialmente quando se trata das autoexcitadas (chatter). Neste trabalho, foram desenvolvidas estratégias que tem como objetivo diminuir a intensidade de vibrações em processos de torneamento por meio do acoplamento de material piezelétrico ao suporte de ferramenta em conjunto com uso de shunts resistivo, indutivo e resistivo-indutivo em série ou em paralelo, criando assim estruturas eletromecânicas passivamente amortecidas. Para tanto, foram construídos modelos eletromecânicos de parâmetros distribuídos para mostrar a capacidade que tais estruturas eletromecânicas possuem em oferecer um maior amortecimento quando comparadas com estruturas mecânicas convencionais. Com os modelos construídos, foi possível verificar a influência causada pela espessura da camada de material piezelétrico bem como a influência dos shunts no comportamento da estrutura, sendo constatado que camadas mais espessas aumentam a capacidade de amortecimento da estrutura e que os shunts resistivo-indutivo, tanto em série quanto em paralelo, funcionam como um amortecedor dinâmico de vibrações amortecido e oferecem o melhor desempenho. A seguir, construiu-se o diagrama de lóbulos de estabilidade para comparar as estruturas com e sem shunts e observou-se que as estruturas com shunts resistivo-indutivo possuem um melhor desempenho. Também foram executados testes de impacto (tap tests) para a verificação experimental do comportamento da estrutura quando conectadas aos shunts e os resultados mostraram que há um maior amortecimento. Considerando os resultados obtidos, acredita-se que seja possível melhorar o desempenho de processos de torneamento usando material piezelétrico. / Mechanical vibrations offer great limitation for the productivity, quality or even feasibility of the machining operations when chatter is present. In this work it was developed strategies aiming to diminish the intensity of the vibration in turning processes. By coupling a piezoelectric material with a turning tool and by using different associations of resistive and inductive shunt (series or parallel) it was created electromechanical structures passively damped. Electromechanical models of distributed parameters were developed in order to show the capacity that these structures has to offer a greater dumping when compared with conventional mechanical structures. By using these constructed models it was possible to verify the influence of the thickness of the piezoelectric material as well as the influence of shunts in the behavior of structure. It was observed that thicker layers increase the damping capacity of the structure that resistive-inductive shunt (series or parallel) works as a damped dynamic vibration absorber which offer better performance. Latter was developed a stability lobes diagram in order to compare the structures with and without shunts and it was observed that structures connected to resistiveinductive shunt has a better performance. Tap tests were performed for the purpose of study the experimental behavior of the structure connected to shunt and results showed that there is a better damping in this situation. Considering the results obtained, is fair to believe that is possible to improve turning process by using piezoelectric materials.