Atualmente, nota-se um crescimento na fabricação de produtos utilizando moldes e matrizes contendo formas geométricas complexas. No entanto, a fabricação destes ferramentais onde se emprega, principalmente, operações de fresamento, não tem acompanhado esta evolução com a mesma velocidade. O advento dos sistemas CAD/CAM, máquinas CNC e da tecnologia de usinagem em altas velocidades (HSC) influenciaram positivamente a fabricação de superfícies complexas. Contudo, nota-se ainda ineficiências neste processo produtivo. A qualidade superficial após as operações de usinagem ainda não é suficiente para que estes ferramentais entrem diretamente na linha de produção. Assim, operações manuais de acabamento são exigidas, elevando o tempo e custo de produção, comprometendo a qualidade dimensional. Com a finalidade de aprimorar a fabricação de moldes e matrizes, este trabalho apresenta uma revisão bibliográfica sobre a usinagem HSC; um estudo sobre a força de usinagem para o fresamento de formas complexas e uma análise sobre a metodologia utilizada por sistemas CAD/CAM e CNC para gerar e interpretar programas NC que contenham movimentações complexas de ferramenta. Análises práticas foram realizadas em um centro de usinagem HSC, e os resultados indicam que as limitações tecnológicas atuais na cadeia CAD/CAM/CNC limitam a usinagem de formas complexas com altas velocidades, reduzindo a velocidade de avanço programada e que as características intrínsecas deste processo de remoção de material demonstrou ser bastante complexo, acarretando em constantes alterações na força de usinagem / In recent years the number of products containing free-form shapes produced by dies and molds have been growing noticeably. However, the milling process used to manufacture those dies and molds does not meet their requirements. The arrival of the CAD/CAM systems and the High Speed Cutting Technology (HSC) helps to improve this manufacturing process. Although to obtain the surface quality needed to meet the dies and molds requirements, a hand finishing still requires. It involves time, money and decrease the product quality. Technological limitations in the CAD/CAM/CNC chain limit the feed rate when milling free-form shape. It also has a negative effect on the surface roughness. Besides, this kind of milling still lacks scientific knowledge of the cutting process. With the aim to support the dies and moulds fabrication, this work presents an overview about HSC Technology; the cutting forces in a non-planar milling; the cutting tool deflection; a detailed description of the process chain involving the CAD/CAM/CNC systems and the methodologies used by those systems to generate and accomplish free-free tool-paths. Free-form milling experiments applying the HSC Technology were made to study the behavior of this process, and the outcomes are presented

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

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

Atualmente, nota-se um crescimento na fabricação de produtos utilizando moldes e matrizes contendo formas geométricas complexas. No entanto, a fabricação destes ferramentais onde se emprega, principalmente, operações de fresamento, não tem acompanhado esta evolução com a mesma velocidade. O advento dos sistemas CAD/CAM, máquinas CNC e da tecnologia de usinagem em altas velocidades (HSC) influenciaram positivamente a fabricação de superfícies complexas. Contudo, nota-se ainda ineficiências neste processo produtivo. A qualidade superficial após as operações de usinagem ainda não é suficiente para que estes ferramentais entrem diretamente na linha de produção. Assim, operações manuais de acabamento são exigidas, elevando o tempo e custo de produção, comprometendo a qualidade dimensional. Com a finalidade de aprimorar a fabricação de moldes e matrizes, este trabalho apresenta uma revisão bibliográfica sobre a usinagem HSC; um estudo sobre a força de usinagem para o fresamento de formas complexas e uma análise sobre a metodologia utilizada por sistemas CAD/CAM e CNC para gerar e interpretar programas NC que contenham movimentações complexas de ferramenta. Análises práticas foram realizadas em um centro de usinagem HSC, e os resultados indicam que as limitações tecnológicas atuais na cadeia CAD/CAM/CNC limitam a usinagem de formas complexas com altas velocidades, reduzindo a velocidade de avanço programada e que as características intrínsecas deste processo de remoção de material demonstrou ser bastante complexo, acarretando em constantes alterações na força de usinagem / In recent years the number of products containing free-form shapes produced by dies and molds have been growing noticeably. However, the milling process used to manufacture those dies and molds does not meet their requirements. The arrival of the CAD/CAM systems and the High Speed Cutting Technology (HSC) helps to improve this manufacturing process. Although to obtain the surface quality needed to meet the dies and molds requirements, a hand finishing still requires. It involves time, money and decrease the product quality. Technological limitations in the CAD/CAM/CNC chain limit the feed rate when milling free-form shape. It also has a negative effect on the surface roughness. Besides, this kind of milling still lacks scientific knowledge of the cutting process. With the aim to support the dies and moulds fabrication, this work presents an overview about HSC Technology; the cutting forces in a non-planar milling; the cutting tool deflection; a detailed description of the process chain involving the CAD/CAM/CNC systems and the methodologies used by those systems to generate and accomplish free-free tool-paths. Free-form milling experiments applying the HSC Technology were made to study the behavior of this process, and the outcomes are presented