camila rezende

Fevereiro de 2006

PONTIFCIA UNIVERSIDADE CATLICA DE MINAS GERAIS PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM

ENGENHARIA MECNICA MESTRADO EM ENGENHARIA MECNICA

Dissertao de Mestrado

CORRELAO ENTRE MODELAGEM NUMRICA E RESULTADOS EXPERIMENTAIS NA ANLISE

DE ESTABILIDADE DINMICA DO TORNEAMENTO DE AOS

Camila Rocha Rezende

Dissertao apresentada ao Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica da PUC

Minas como parte dos requisitos para obteno do ttulo de Mestre em Engenharia Mecnica.

ORIENTADOR: Prof. Wisley Falco Sales, D. Sc. CO-ORIENTADOR: Prof. Jnes Landre Jnior, D. Sc. Banca Examinadora: Prof. Wisley Falco Sales, PUC Minas (orientador) Prof. Jnes Landre Jnior, PUC Minas (examinador interno) Prof. Alexandre Abro,UFMG (examinador externo) Prof. Leonardo Silva, CEFET-MG (examinador Externo)

Aos meus pais, Joo e Dina, meu

querido filho, Matheus e a Deus.

AGRADECIMENTOS

Aos meus professores, Wisley Falco Sales e Jnes Landre Jnior, pela orientao e

incentivo prestados e pelo exemplo profissional.

Aos meus pais, minhas irms e Paulo pelo incentivo, confiana e apoio incondicionais.

Ao Matheus, meu filho, pela alegria, carinho e amor que me deu foras para seguir em

frente, pela compreenso devido a minha ausncia e pela pacincia para a concretizao

dos nossos sonhos.

Aos amigos, Valria e Jomar, pela eterna amizade conquistada e pela constante

dedicao e incentivo para o desenvolvimento deste trabalho.

Aos funcionrios da oficina, principalmente ao Carlos, pela presteza e contribuio na

execuo dos procedimentos experimentais efetuados ao longo deste trabalho.

Aos colegas de ps-graduao pela excelente convivncia, pelos momentos de distrao

e pela experincia compartilhada.

Aos demais professores e colegas que indiretamente contriburam e incentivaram a

realizao deste trabalho.

A CAPES e PUC Minas pela concesso das bolsas de estudo durante o perodo do

trabalho.

RESUMO

Este trabalho apresenta uma metodologia para analisar a estabilidade dinmica do

processo de torneamento de aos considerando os aspectos dinmicos e os fundamentos

tericos de usinagem. O comportamento dinmico de um torno foi estudado por meio da

modelagem numrica da mquina em um software comercial que usa o mtodo de

elementos finitos e este modelo foi validado com o auxlio de sinais de vibrao obtidos

a partir de procedimentos experimentais. Em seguida, os nveis de vibrao e os

parmetros de topografia de superfcie foram monitorados durante o torneamento de

peas, considerando trs parmetros variveis: diferentes dimenses das peas, variadas

velocidades de corte e evoluo do desgaste da ferramenta de corte. A anlise do

modelo numrico determinou as freqncias naturais e os modos de vibrao da

estrutura, com um erro percentual mximo de 17%. A metodologia empregada para a

gerao e validao do modelo pode ser utilizada para anlise de estabilidade de

quaisquer outros processos de usinagem. O monitoramento dos sinais de vibrao se

mostrou capaz de identificar as variaes dos parmetros considerados.

Palavras-chave: Torneamento, Comportamento Dinmico, Modos de Vibrao, Mtodo

dos Elementos Finitos

ABSTRACT

This work presents a methodology used to analyse steel turning process dynamic

stability, considering dynamic aspects and machining theoretical fundamentals. Turning

dynamic behaviour was studied by means of structural machine numerical modeling

using commercial software featuring finite element method and such model was

validated with the aid of vibration signals obtained through experimental procedures.

Afterwards, vibration levels and surface topography parameters were monitored during

turning, considering three variable parameters: different workpiece dimensions, variable

cutting speed and cutting tool wear. Numerical model analysis determined the natural

frequencies and mode shapes for the structure, with a 17% maximum error. The

methodology used to generate and validate the model can also be used to analyse any

other machining process stability. Vibration signal monitoring was able to identify

variations of the parameters considered.

Keywords: Turning, Dynamic Behaviour, Normal Modes, Finite Element Method.

- i -

NDICE

CAPTULO 1...................................................................................................................1

INTRODUO..................................................................................................................1

1.1 Histrico........................................................................................................1

1.2 Justificativas..................................................................................................3

1.3 Objetivos........................................................................................................4

1.3.1 Objetivos Gerais........................................................................................4

1.3.2 Objetivos especficos.................................................................................5

1.4 Organizao ..................................................................................................5

CAPTULO 2...................................................................................................................7

REVISO BIBLIOGRFICA...............................................................................................7

2.1 Usinagem dos Materiais................................................................................7

2.1.1 Mecanismo de Formao do Cavaco ......................................................10

2.1.1.1 Interface Cavaco-Ferramenta ..............................................................13

2.1.1.2 Aresta Postia de Corte .......................................................................16

2.1.2 Avarias, Desgaste e Vida das Ferramentas de Corte...............................19

2.1.2.1 Avarias nas Ferramentas de Corte.......................................................20

2.1.2.2 Desgaste das Ferramentas de Corte.....................................................20

2.1.2.2.1 Desgaste de Cratera...................................................................21

2.1.2.2.2 Desgaste de Flanco....................................................................22

2.1.2.2.3 Desgaste de Entalhe ..................................................................24

2.1.2.3 Mecanismos de Desgaste ....................................................................24

2.1.2.4 Vida das Ferramentas de Corte ...........................................................26

2.1.3 Integridade Superficial ............................................................................26

2.1.3.1 Textura Superficial ..............................................................................27

2.1.3.1.1 Parmetros de Rugosidade ........................................................28

2.2 Anlise Estrutural Dinmica.......................................................................32

2.2.1 Fundamentos da Anlise Dinmica.........................................................32

2.2.1.1 Anlise de Vibrao Livre...................................................................34

2.2.1.2 Anlise de Vibrao Forada ..............................................................37

ii

2.2.2 Processo de Anlise Dinmica ................................................................42

2.2.2.1 Anlise Modal .....................................................................................44

2.2.2.2 Anlise de Resposta em Freqncia....................................................47

2.2.3 Vibraes em Operaes de Usinagem...................................................48

2.3 Monitoramento do Processo de Usinagem .................................................49

2.3.1 Monitoramento via Sinais de Vibraes .................................................55

CAPTULO 3.................................................................................................................59

METODOLOGIA EXPERIMENTAL ....................................................................................59

3.1 Estudo do Comportamento Dinmico .........................................................61

3.1.1 Modelagem Numrica .............................................................................61

3.1.1.1 Pr-Processamento ..............................................................................62

3.1.1.2 Processamento .....................................................................................65

3.1.2 Comparao e Correlao da Modelagem Numrica com Resultados

Experimentais..........................................................................................66

3.2 Monitoramento de Operaes de Usinagem...............................................70

3.2.1 Influncia das Dimenses da Pea ..........................................................72

3.2.2 Influncia da Velocidade de Corte ..........................................................75

3.2.3 Influncia do Desgaste da Ferramenta ....................................................77

CAPTULO 4.................................................................................................................80

RESULTADOS E DISCUSSES.............................