M.Ing. (Mechanical Engineering) / Please refer to full text to view abstract

L’arrivée des sources lasers ultracourtes a bouleversé le domaine de la micro-structuration pour l’optique intégrée. Le plus souvent, le procédé se résume à l’utilisation d’une lentille de focalisation sur le trajet du faisceau laser. Cette méthode souffre de limitations intrinsèques sur la vitesse d’usinage et sur le spectre des modifications accessibles. Nous montrons dans ce mémoire que la mise en forme spatio-temporelle des impulsions lasers ultracourtes répond efficacement à ces défis. En particulier, nous indiquons la possibilité de multiplier le nombre de spots lasers pour la fabrication simultanée de plusieurs composants optiques, en répondant ainsi au besoin de rapidité. Cette avancée majeure est illustrée par la photoinscription en parallèle de guides, de diviseurs, de coupleurs ainsi que de démultiplexeurs de lumière en 2Det 3D dans la silice. Il est également reporté ici que le domaine de photoinscription peut être élargi à la focalisation profonde dans les matériaux grâce à la modulation du front d’onde ainsi que la mise en forme temporelle de l’impulsion permettant de préserver la densité d’énergie déposée. Le couplage d’énergie vers le matériau transparent en fonction de divers profils d’impulsions est étudié à l’échelle femtoseconde. La caractérisation du gaz d’électrons libres ainsi que de l’onde de pression nous permet de mettre en évidence l’efficacité des impulsions picosecondes `a déposer l’énergie de manière plus confinée dans différents verres. Ces études sont conduites sur un système de microscopie de type pompe-sonde permettant de mettre en forme l’irradiation pompe. / In the past decade, ultrashort laser sources have had a decisive impact on material processing for photonic applications. The technique is usually restricted to the elemental association of an ultrashort source with a focusing lens. It is thus limited in the achievable bulk modifications. Accompanying studies of material modifications in space and time, we propose here that automated spatio-temporal tailoring of the laser pulses is an efficient manner to overcome these limitations. More precisely, we demonstrate the generation of multiple processing foci for synchronous photomachining of multiple devices in the bulk. Thus, we report on the parallel photowriting of waveguides, light couplers, light dividers in 2D/3D in fused silica glass. We show that the domain of photowriting can be extended to deep focusing. We indicate that this can be achieved by wavefront shaping or temporal profile tailoring conducted by an evolutionary optimization loop. We also have unveiled a singular interaction regime where regular structuring takes place before the focal region. For the first time, the dynamics of the energy coupling to the glassy matrix is evaluated for various temporal pulse profiles. Enhanced energy confinement in the case of picosecond pulses is confirmed by characterization of the transient electronic gas and of the subsequent pressure. These pump-probe studies were carried out with a self-build time-resolved microscopy system with temporally shaped pump irradiation. We also developed a new method based on the Drude model to differentiate the electronic and matrix contributions to the contrast of the microscopy images.

La productivité des processus d'usinage robotisé est très souvent limitée par le manque de rigidité des robots et les problèmes vibratoires relatifs à l’instabilité de la coupe. L’analyse de l’instabilité de la coupe en usinage robotisé est un problème difficile en raison de la variabilité du comportement dynamique du robot dans son espace de travail. Par conséquent, le phénomène de broutement en usinage robotisé dépend non seulement des paramètres de coupe mais également de la configuration du robot. Le premier objectif de cette thèse est de déterminer une méthode de modélisation dynamique du robot, adaptée du point de vue de l’analyse des vibrations et de la stabilité en usinage robotisé. Cette approche a été réalisée sur le robot d’usinage industriel ABB IRB6660. Une démarche de recalage a été mise en place afin de déterminer les paramètres du modèle numérique du robot. Ensuite, une présentation 3D de la limite de stabilité en usinage robotisé prenant en compte les variations du comportement dynamique du robot est réalisée. Le deuxième objectif consiste à optimiser le procédé vis-à-vis de la stabilité de la coupe. Les variations du comportement dynamique du robot sont exploitées par la gestion des redondances fonctionnelles afin d’optimiser la configuration du robot du point de vue de la stabilité. L’analyse numérique a montré et les essais expérimentaux d’usinage ont confirmé la possibilité de passer de la zone instable à la zone stable par la gestion de la redondance fonctionnelle sans modifier les paramètres de coupe. / Productivity in robotic machining processes can be limited by the low rigidity of the overall structure and vibration instability (chatter). The robot’s dynamic behavior, due to changes in its posture along a machining trajectory, varies within its workspace. Chatter in robotic machining therefore depends not only on the cutting parameters but also on the robot configuration. The first objective of this thesis is to determine a dynamic modeling approach of the robot in order to analyze the vibration and the stability in robotic machining. This modeling approach has been realized to dynamic modeling of an ABB IRB6660 industrial robot. The numerical model parameters are adjusted on the basis of experimental modal identifications. Then, a three-dimensional representation of stability lobes diagram for the prediction to take into account the robot dynamic behavior variations in machining trajectory is established. The second objective is to optimize the robot configurations regarding stability. The dynamic behavior variations of the robot in the workspace are exploited through functional redundancy management in order to optimize robot configurations with respect to machining stability. The numerical analyze demonstrated and experimental machining tests confirmed that stability conditions in machining operations can be achieved by managing functional redundancy without changing the cutting parameters.

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Alumina is one of the most commonly used engineering ceramics for a variety of applications ranging from microelectronics to prosthetics due to its desirable properties. Unfortunately, conventional machining techniques generally lead to fracture, tool failure, low surface integrity, high energy consumption, low material removal rate, and high tool wear during machining due to high hardness and brittleness of the ceramic material. Laser machining offers an alternative for rapid processing of brittle and hard engineering ceramics. However, the material properties, especially the high thermal expansion coefficient and low thermal conductivity, may cause ceramic fracture due to thermal damage. Striation formation is another defect in laser cutting. These drawbacks limit advanced ceramics in engineering applications. In this work, various lasers and machining techniques are investigated to explore the feasibility of high-quality laser machining different thicknesses of alumina. The main contributions include: (i) Fibre laser crack-free cutting of thick-section alumina (up to 6-mm-thickness). A three-dimensional numerical model considering the material removal was developed to study the effects of process parameters on temperature, thermal-stress distribution, fracture initiation and propagation in laser cutting. A rapid parameters optimisation procedure for crack-free cutting of thick-section ceramics was proposed. (ii) Low power CW CO2 laser underwater machining of closed cavities (up to 2-mm depth) in alumina was demonstrated with high-quality in terms of surface finish and integrity. A three-dimensional thermal-stress model and a two-dimensional fluid smooth particle hydrodynamic model (SPH) were developed to investigate the physical processes during CO2 laser underwater machining. SPH modelling has been applied for the first time to studying laser processing of ceramics. (iii) Striation-free cutting of alumina sheets (1-mm thickness) is realised using a nano-second pulsed DPSS Nd: YAG laser, which demonstrates the capability of high average power short pulsed lasers in high-quality macro-machining. A mechanism of pulsed laser striation-free cutting was also proposed. The present work opens up new opportunities for applying lasers for high-quality machining of engineering ceramics.

Orientador: Anselmo Eduardo Diniz / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-22T01:55:03Z (GMT). No. of bitstreams: 1 KullNeto_Henrique_M.pdf: 6161142 bytes, checksum: 4f755b77cb291982660eff8091931b82 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: O titânio e suas ligas são considerados materiais de baixa usinabilidade devido a diversas propriedades inerentes ao material. Dentre elas pode-se citar a alta resistência mecânica em altas temperaturas, a baixa condutividade térmica, a alta reatividade química com os materiais de ferramentas e o baixo módulo de elasticidade (que é um fator incentivador de vibrações). Devido à alta tendência à vibração que a usinagem (principalmente o fresamento) de titânio tem para se usinar da maneira mais produtiva possível ligas de titânio, há que se lidar com a vibração da ferramenta e/ou da peça. O presente trabalho busca aprofundar o estudo do fresamento frontal da liga Ti-6Al-4V, tendo como objetivos: encontrar material de haste da ferramenta que diminua a vibração no processo de usinagem, para com isso aumentar a vida da ferramenta de corte, e encontrar condições de usinagem (velocidade de corte e avanço por dente) que proporcionem maior vida da ferramenta. As hastes de aço furada e preenchida com poliuretano proporcionaram aumento da frequência natural do porta-ferramentas. Entretanto, foi verificada uma redução da rigidez do porta-ferramentas, que gerou grande variação dos esforços de corte e maior carregamento radial. Os resultados mostraram que quando se utiliza baixas rotações, portanto baixa frequência de entrada de dentes, a deflexão da ferramenta passa a ser o fator de maior contribuição para o fim de vida da ferramenta e, portanto, as hastes de aço furada e preenchida com poliuretano proporcionaram menores vidas da ferramenta que as hastes comerciais de aço maciça e de metal duro. O principal mecanismo de desgaste verificado em todos os testes foi o attrition, com microlascamento da aresta de corte. Quando se verificou a influência da velocidade de corte, do avanço por dente e do material da haste da fresa (aço ou metal duro) na vida da fresa medida em volume de cavaco removido por aresta, constatou-se que o único parâmetro que influenciou a vida da ferramenta foi à velocidade de corte / Abstract: Titanium and its alloys are known as difficult to machine materials because of their unique combination of properties, such as high strength at elevated temperatures, low thermal conductivity, high chemical reactivity with almost all tool materials and low modulus of elasticity (which favors vibration). Because of the high tendency of vibration in titanium milling, it is necessary to keep vibration under control in order to achieve high productivity. This work focused on the study of tool life, cutting forces and work piece roughness in the end milling of Ti-6Al-4V alloy. The main objectives were to find a tool holder material that provides reduction of vibration in the milling process, increasing tool life, and to find cutting parameters (cutting speed and feed per tooth) that provide longer tool lives. The bored tool holder and the tool holder filled with polyurethane exhibited higher natural frequency. However, it was noticed a decrease in the tool holder stiffness, which caused variation of cutting force and higher axial load. Results showed that at low cutting speeds (with low cutting frequency), tool holder deflection is the main factor affecting tool life and, therefore, the bored and the polyurethane filled tool holders generated shorter tool lives than the commercial tool holders of steel and cemented carbide. Attrition was the main wear mechanism in all tests. The influence of cutting speed, feed per tooth and tool holder material (steel and cemented carbide) on the tool life (measured in terms of volume of chip removed per cutting edge) was analyzed. It could be seen that the only parameter which had any influence on tool life was the cutting speed / Mestrado / Materiais e Processos de Fabricação / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Anselmo Eduardo Diniz / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-22T09:27:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 OliveiraJunior_CarlosAncelmo_M.pdf: 7354499 bytes, checksum: 05a6c099baa7c4f194f916c8e418d4db (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Os aços inoxidáveis super duplex são ligas extremamente resistentes à corrosão, desenvolvidas para aplicações com altos níveis de exigência, em que as peças terão contato com ambientes corrosivos como a água do mar, por exemplo. Devido à sua composição química e microestrutura, que proporcionam alta resistência mecânica, alta resistência ao calor e também alta ductilidade, que são fatores positivos para a aplicação, a usinabilidade dessas ligas é geralmente muito baixa o que resulta em longos ciclos de produção e alto custo de ferramental. Este trabalho trata do torneamento da liga UNS 32750 comercialmente conhecida como SAF2507 e sua consequente influência na resistência à corrosão apresentada ao longo da aplicação. Durante os ensaios, houve variação de velocidade de corte, classe e cobertura da ferramenta, além da condição de refrigeração com alternativas de alta e baixa pressão. Os resultados indicam que as pastilhas com cobertura PVD são mais resistentes ao desgaste e, combinadas ao uso de refrigeração de alta pressão, podem melhorar o seu desempenho em relação à vida útil e rugosidade bem como à posterior resistência à corrosão do material. Desgaste de entalhe e aderência encontrados na usinagem com pastilhas PVD, juntamente com lascamentos e quebras que ocorreram nas pastilhas CVD, foram os tipos e mecanismos de desgaste/avaria da ferramenta mais encontrados durante os ensaios / Abstract: Super duplex stainless steels are extremely corrosion-resistant alloys that were developed to work in very demanding applications, in which the workpieces are exposed to corrosive environments like sea water, for example. Due to their chemical composition and microstructure, that provide high mechanical and heat resistance besides high ductility, which are favorable factors for the application, the machinability of these alloys is generally poor and results in long production cycles and high tool costs. The goal of this research is to study turning operation of the UNS 32750 alloy, commercially called SAF2507, and its consequent influence in the corrosion resistance for application situations. During the tests, the input variables were cutting speed, grade and coating of the inserts, besides the cooling conditions with low and high pressure options. The results indicate that the PVD coated inserts are more wear-resistant than the CVD inserts and when they are combined with high pressure cooling, their performance related to tool life and workpiece roughness as well as the corrosion resistance of the material after machining is improved. Notch wear and attrition found in machining with PVD inserts, together with chipping and tool breakage that occurred in machining with CVD inserts, were the most frequent types of wear/damage and wear mechanism found during the tests / Mestrado / Materiais e Processos de Fabricação / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Amauri Hassui / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-26T11:59:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silva_LeviNascimentoda_M.pdf: 11286121 bytes, checksum: d7352e1bfd0d6ee9393542544bcda5b2 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Em virtude do aumento da concorrência, as montadoras de veículos têm exercido pressões sobre os fornecedores participantes da longa cadeia produtiva no sentido de reduzir custos e aumentar a agilidade no desenvolvimento de novos produtos, sem negligenciar a qualidade e a confiabilidade das peças. Na fabricação de autopeças, por exemplo, quando se pensa em tolerâncias pequenas e em acabamento de peças endurecidas, há discussões sobre o uso da retificação convencional ou do torneamento duro. Estudos mostram que a retificação traz maiores custos, tempos de preparação maiores e impactos ambientais negativos e apresentam, como alternativa mais eficiente, o torneamento e faceamento contínuo ou interrompido de peças endurecidas com perfis retos, como os rolamentos com discos axiais. Ao invés de rolamentos axiais, neste trabalho, foi proposto o processo de torneamento duro para fabricar as pistas de rolagem em rolamentos de esferas de contato angular utilizados em sistemas de embreagem. Neste caso, diferentemente dos rolamentos axiais com perfil reto, o tornamento foi do tipo contínuo com perfil côncavo em que, à medida que a ferramenta avança, o contato da aresta de corte com a peça e, consequentemente, a seção do cavaco gerado variam. Duas velocidades de corte foram utilizadas, sendo mantidos constantes o avanço e a profundidade de corte. Características como parâmetros de rugosidade, circularidade, raio e forma da pista, coeficientes de simetria, achatamento e razão de material, dentre outros, foram controlados e comparados com amostras com pistas retificadas. A vida em fadiga de rolamentos é determinada por uma boa lubrificação e pelo bom acabamento das pistas. Quando um dos dois falha, ocorre desprendimento de material das pistas, seguido pelo começo de fraturas abaixo da superfície de contato. Por isso, após a fabricação, o controle e a montagem das amostras, foram realizados também ensaios comparativos de durabilidade. Os resultados encontrados permitiram concluir que as pistas fabricadas por torneamento duro, com as ferramentas e parâmetros utilizados apresentaram vida útil menor que aquelas produzidas por retificação / Abstract: The automotive markets have become more competitive and the car makers push the suppliers in the productive chain to focuse on cost reduction and fast development of new products, without neglecting quality and reliability. Regarding autoparts manufacture process, with small tolerances and finishing of hard parts, there are discussions about the use of conventional grinding or hard turning. Studies show that grinding increases costs, preparation times and negative environmental impacts and point out, as more effective process, the continuous or interrupted hard turning or hard facing in hard components with straight profile, such as thrust bearings with discs. Instead of thrust bearings, the aim of this work is to propose the hard turning of raceways in contact ball bearings used in clutch systems. In this case, the turning was continuous with concave profile: while the tool moves, the cut edge contact with the component and consequently the generated chip section change. Two cut speeds were used and feed rate and cut depth have been remained constant. Characteristics like rougheness parameters, roundness, raceway radius and its profile, skewness, kurtosis and bearing ratio were measured and compared with those in specimens with ground raceways. The fatigue life in ball bearings is determined by good lubrication and raceways with good finishing. When one of them fails, it occurs material deterioration (spalling) followed by cracks under the contact surface. For that reason, after manufacturing, measurements and assembly of the specimens, comparative durability tests were performed. The results could assess that the raceways manufactured by hard turning with toolings and defined parameters showed reduced fatigue life in comparison to specimens made by grinding / Mestrado / Materiais e Processos de Fabricação / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Amauri Hassui / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-26T12:36:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silveira_NeimarSousa_M.pdf: 2291885 bytes, checksum: f93cbac8489b6ba667cbeac32fd40f84 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Processos de fabricação são responsáveis por cerca de metade do consumo global de energia primária, muito do que é consumido por máquinas de produção de peças discretas. O tema da eficiência energética é impulsionado por usuários de máquinas-ferramenta que exigem baixos custos operacionais, bem como pelo impulso social e legislativo que requer produção ambientalmente mais amigável. O uso do alumínio em componentes e estruturas, principalmente na indústria automotiva e aeronáutica, vem crescendo a demanda de manufatura desse tipo de material. Entretanto, o aumento do consumo de energia cresce e com isso a preocupação para se criar meios e métodos para serem aplicados para melhoria da eficiência energética. Nesse estudo, é possível considerar a aplicação do fator potência como fator de análise da eficiência no processo de torneamento da liga alumínio 2011F, aplicado aos parâmetros de profundidade de corte, da rotação do torno, das classes da ferramenta e do raio de ponta. O planejamento experimental foi realizado de forma aleatória usando o método da ANOVA, com os parâmetros de entrada: profundidade de usinagem, raio de ponta, classe da ferramenta e rotação, e como respostas foram consideradas: a potência ativa, potência reativa e fator de potência. Os resultados obtidos mostram que as avaliações da eficiência energética são satisfatórias pela análise do fator de potência e pela potência reativa em termos de baixa profundidade de usinagem e pela modificação da classe da ferramenta com ou sem revestimento / Abstract: Manufacturing processes are responsible for about half of global consumption of primary energy, much of which is consumed by discrete parts manufacturing machines. The topic of energy efficiency is driven by machine tool users that require low operating costs, as well as by social and legislative boost which requires environmentally friendlier production. The use of aluminium in components and structures, mainly in automotive and aeronautics, has been growing demand for manufactures of this type of material. However, the increase of energy consumption grows and with it the concern to create means and methods to be applied to improving energy efficiency. In this study, it is possible to consider the application of power factor as a factor in efficiency analysis in the process of turning aluminium alloy 2011F, applied to parameters of depth of cut, spin around, of the classes of the tool and the nose RADIUS. The experimental planning was conducted at random using the ANOVA method with the input parameters: machining depth, radius, edge class of tool and rotation, and how responses were considered: the active power, reactive power and power factor. The results obtained show that energy efficiency assessments are satisfactory for the analysis of the power factor and reactive power in terms of low machining depth and by modifying the tool class with or without coating / Mestrado / Materiais e Processos de Fabricação / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Amauri Hassui / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-26T12:29:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Pereira_LuisAntonio_M.pdf: 7325377 bytes, checksum: 3508593610f7af7aa2e9b0fb82eac784 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: O fresamento consiste em um processo de usinagem no qual a peça a ser usinada é efetua os movimentos de avanço contra uma ferramenta cilíndrica rotativa com várias arestas de corte. No processo de fresamento o corte é considerado crítico, pois neste momento as variações de temperatura e força resultam em danos nas superfícies das peças, podendo comprometer o seu desempenho. Com isso, vários estudos buscam alternativas que visam explicar as ocorrências desses defeitos. Esse campo é conhecido também como Integridade Superficial. Este trabalho tem por objetivo avaliar as influências das condições de usinagem na integridade de superficial do aço inoxidável 15-5PH. Para isso foram feitos ensaios de fresamento utilizando fresa de facear com pastilhas redondas, geometria neutra e positiva, novas e em fim de vida. O fresamento foi discordante, com dois níveis de avanço por dente (fz = 0,15 e 0,25 mm/dente) e dois de velocidade de corte (vc = 170 e 195 m/min). Posteriormente foi avaliada a rugosidade 3D, dureza e feita a microscopia eletrônica da superfície e subsuperfície da peça usinada. Os resultados obtidos demonstram que utilizando uma ferramenta da classe (M40), com a geometria M-MM (positiva) com cobertura de MTCVD, obteve-se uma rugosidade melhor que a (M25). Foi possível também evidenciar os defeitos gerados na superfície usinada com a utilização do (MEV), microcavidades, sulcos gerados por microcavacos, repasse da ferramenta e resto de material / Abstract: Milling is a machining process in which the workpiece makes feed movements against a rotating cylindrical tool with multiple cutting edges. In the milling process the cut is considered critical because at this time the temperature and force variations result in damage to the surfaces of the workpiece, which can compromise their performance. Consequently, several studies aim to explain the occurrences of failures. This field is also known as Surface Integrity. This work aims to evaluate the influence of machining conditions on the surface integrity of stainless steel 15-5PH. In order to do so, milling tests were carried on using face mills with round inserts, neutral and positive geometry (new and in the end of tool life). Up milling condition along with two levels of feed per tooth (fz = 0.15 and 0.25 mm/tooth) and two cutting speeds (vc = 170 and 195 m/min). Later, the 3D roughness and hardness were evaluated and scanning electron microscopy (SEM) was carried on the workpiece¿s surface and subsurface. The results obtained show that using (M40) class tool, and M-MM geometry (positive) with MTCVD coating provided a better surface finish than the (M25) class tool. Using the (SEM), it was also possible to highlight the defects generated in the machined surface such as microcavities, grooves generated by microchips, tool backcutting and the remaining material / Mestrado / Materiais e Processos de Fabricação / Mestre em Engenharia Mecânica