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The present work was performed at AB Sandvik Coromant as a part in improving the knowledge and understanding about wear of uncoated WC/Co cutting tools during turning of titanium alloy Ti-6Al-4V. When machining titanium alloys, or any other material, wear of the cutting tools has a huge impact on the ability to shape the material as well as the manufacturing cost of the finished product. Due to the low thermal conductivity of titanium, high cutting temperatures will occur in narrow regions near the cutting edge during machining. This will result in high reaction and diffusion rates, resulting in high cutting tool wear rates. To be able to improve titanium machining, better knowledge and understanding about wear during these tough conditions are needed. Wear tests were performed during orthogonal turning of titanium alloy and the cutting tool inserts were analysed by SEM, EDS and optical imaging in Alicona InfiniteFocus. Simulations in AdvantEdge provided calculated values for cutting temperatures, cutting forces and contact stresses for the same conditions as used during wear tests. It was found that turning titanium alloy with WC/Co cutting tools at cutting speeds 30-60 m/min causes chamfering of the cutting tool edge and adhesion of a build-up layer (BUL) of workpiece material on top of the rake face wear land. The wear rate for these low cutting speeds was found to be almost unchanging during cutting times up to 3 minutes. During cutting speeds of 90-115 m/min, crater wear was found to be the dominating wear mechanism and the wear rate was found to have a linear dependence of cutting speed. An Arrhenius-type temperature dependent wear mechanism was found for high cutting speeds, between 90 and 115 m/min.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:24:47Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2004-12-15Bitstream added on 2014-06-13T19:52:31Z : No. of bitstreams: 1 spinellijunior_aj_me_bauru_prot.pdf: 2793116 bytes, checksum: 2a5518c4628bc08924a0d2677ef48198 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Um dos principais objetivos da indústria metal-mecânica é o aumento da produtividade nos processos de usinagem, o que pode ser conseguido por meio de maiores taxas de remoção de material. Este requisito está associado ao desgaste da ferramenta de corte, uma vez que a redução de sua vida acarreta aumento dos custos de fabricação, não só pelo valor unitário da ferramenta, mas também pelo tempo consumido na indesejável interrupção da operação. Atualmente, um dos importantes caminhos para o aumento da vida da ferramenta aponta para o desenvolvimento de materiais mais resistentes ao desgaste, como as pastilhas de nitreto cúbico de boro policristalino (PCBN). No entanto, o custo unitário destas ferramentas é consideravelmente alto... / One of the main of the metalworking industry is the increase of productivity in machining processes, which can be obtained through larger material removal rates. This requirement is associated to be cutting tool wear evolution, since the reduction of tool life increases the production costs, not only for unitary value of the tool, but also for the time consumed in the undesirable interruption of the operation. Nowadays, an important way to increase tool life is the development of more wear resistant materials, such as polycrystalline cubic boron nitride (PCBN) cutting tools. However, the unitary cost of these tools is considerably high, about 10 to 20 times more expensive that coated carbide tools. In addition its best performance occurs at high-speed machining, that demands modern machine tools. Many researchers have been using the technique of heating a workpiece layer immediately before its removal by the cutting tool in order to reduce the shear stress and to improve... (Complete abstract click electronic access below)

Resumo: Um dos principais objetivos da indústria metal-mecânica é o aumento da produtividade nos processos de usinagem, o que pode ser conseguido por meio de maiores taxas de remoção de material. Este requisito está associado ao desgaste da ferramenta de corte, uma vez que a redução de sua vida acarreta aumento dos custos de fabricação, não só pelo valor unitário da ferramenta, mas também pelo tempo consumido na indesejável interrupção da operação. Atualmente, um dos importantes caminhos para o aumento da vida da ferramenta aponta para o desenvolvimento de materiais mais resistentes ao desgaste, como as pastilhas de nitreto cúbico de boro policristalino (PCBN). No entanto, o custo unitário destas ferramentas é consideravelmente alto... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: One of the main of the metalworking industry is the increase of productivity in machining processes, which can be obtained through larger material removal rates. This requirement is associated to be cutting tool wear evolution, since the reduction of tool life increases the production costs, not only for unitary value of the tool, but also for the time consumed in the undesirable interruption of the operation. Nowadays, an important way to increase tool life is the development of more wear resistant materials, such as polycrystalline cubic boron nitride (PCBN) cutting tools. However, the unitary cost of these tools is considerably high, about 10 to 20 times more expensive that coated carbide tools. In addition its best performance occurs at high-speed machining, that demands modern machine tools. Many researchers have been using the technique of heating a workpiece layer immediately before its removal by the cutting tool in order to reduce the shear stress and to improve... (Complete abstract click electronic access below) / Orientador: Luiz Eduardo de Angelo Sanchez / Coorientador: Paulo José Amaral Serni / Banca: Alexandre Mendes Abrão / Banca: Vicente Luiz Scalon / Mestre

Using of process liquids improves the procedure and results of machining, on the other hand, increases costs and raises some ecological and hygienic issues. In the work there is gradually analyzed mechanism of chip formation, progress and distribution of heat and thermal fields as well as economic and ecological aspects of dry machining and influence of dry machining on durability of tools. In the experimental part there are evaluated data which were measured during the drilling of cylindrical workpiece with regards to progress of workpiece thermal fields while using various kind of tool coating. In the final part there are stated recommendations for practice.

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / The nickel-based superalloys have a high mechanical strength which remains at elevated temperature, high creep and fatigue resistances and excellent oxidation resistance. This makes these alloys highly recommended for use in high temperature working environments such as mechanical components for the aerospace industry. However, these characteristics are major problems when machining them, as it promotes high heat generation in the flow zone, resulting in the development of high wear rates on the cutting tools. In order to reduce the problems caused by the high temperatures generated, the application of a cutting fluid, when possible, is essential to reduce friction at the chip-tool-workpiece interfaces and lower the temperatures in the cutting zone. Seeking to further increase in the efficiency of cutting fluids during machining of nickel alloys, this work presents a study of the influence of solid lubricants, graphite and molybdenum disulphide (MoS2) mixed to a vegetal based cutting fluid, applied by conventional method (flooding) and minimal quantity of fluid - MQF in turning of Inconel 718 with carbide and ceramic (mixed, whisker and SiAlON) tools. When turning with cemented carbide tools the addition of graphite to the cutting fluid provided the best results, while with ceramic tools MoS2 presented the best performance. The life of the carbide tool had an average increase above 200% in conventional flooding application of cutting fluid when compared to MQF, regardless the addition of solid lubricant. The addition of solid lubricants promoted an increase in the life of whisker and SiAlON tools. The flank wear was dominant for cemented carbide tools and SiAlON ceramics, while for whisker and mixed ceramics the notch wear was predominant. Attrition and diffusion wear mechanism were observed in all evaluated conditions. The addition of solid lubricant to the cutting fluid provided significant improvements in the surface roughness values for most of the evaluated conditions. However, there were no significant changes in the machining forces and cutting temperature. The residual stress was tensile and compression, depending on the fluid application method. Overall, the addition of solid lubricant showed no significant differences. / As superligas à base de níquel apresentam alta resistência mecânica que se mantém em elevadas temperaturas, altas resistência à fluência e à fadiga e excelente resistência a oxidação. Isso torna estas ligas altamente recomendadas para utilização em ambientes que trabalham a altas temperaturas, como por exemplo na fabricação de componentes mecânicos para a indústria aeroespacial. Entretanto, esta característica representa um grande problema quando elas são usinadas, pois promove elevada geração de calor na zona de fluxo, implicando no desenvolvimento de altas taxas de desgaste da ferramenta de corte. A fim de reduzir os problemas causados pelas altas temperaturas geradas, a aplicação de um fluido de corte, quando possível, é essencial, proporcionando redução do atrito na interface cavaco-ferramenta-peça e menores temperaturas na zona de corte. Na busca de aumentar ainda mais a eficiência dos fluidos de corte na complexa usinagem das ligas de níquel, este trabalho apresenta um estudo da influência dos lubrificantes sólidos grafite e bissulfeto de molibdênio (MoS2) misturado a um fluido de corte de base vegetal, aplicados pelo método convencional (jorro) e mínima quantidade de fluído MQF, no torneamento do Inconel 718, com ferramentas de metal duro e cerâmicas (mista, whisker e SiAlON). No torneamento com ferramentas de metal duro a adição de grafite ao fluido de corte proporcionou os melhores resultados, enquanto que no torneamento com ferramentas cerâmicas, foi o MoS2 que apresentou melhor desempenho. A vida da ferramenta de metal duro teve um incremento acima de 200% na usinagem convencional (jorro) quando comparado com a usinagem por MQF, sem considerar a adição do lubrificante sólido. A adição de lubrificantes sólidos promoveu um incremento na vida das ferramentas whisker e SiAlON. O desgaste de flanco foi predominante para as ferramentas de metal duro e cerâmica SiAlON, enquanto que nas cerâmicas whisker e mista o desgaste de entalhe foi predominante. Os mecanismo de desgaste de attrition e difusão foram observados em todas as condições avaliadas. A adição de lubrificante sólido ao fluido de corte proporcionou melhorias significativas nos valores da rugosidade para a maioria das condições avaliadas. No entanto, não se observou mudanças significativas nas forças e temperatura de usinagem. As tensões residuais foram de tração e compressão, dependendo do método de aplicação do fluido. No geral, a adição do lubrificante sólido não apresentou diferenças significativas. / Doutor em Engenharia Mecânica

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

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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).