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Resumos de modelo térmico para solocôes de problemas em transferência de calor em processo de usinagem - TCC1
Última alteração: 31-10-2019
Resumo
ESTUDO DE MODELO TÉRMICO PARA SOLUÇÕES DE PROBLEMAS EM TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM PROCESSO DE USINAGEMBruno Castro de Freitas1; Fátima Geísa Mendes Teixeira2
*Este Texto é referente ao projeto de trabalho de conclusão de curso (TCC 1), orientado pelo (a) professor(a) Fatima Geisa Mendes Teixeira.
1Acadêmico do Curso de Graduação em Engenharia Mecânica do CEULM/ULBRA, Manaus-AM, Brcastro17@gmail.com; 2Professora do Curso de Graduação em Engenharia Mecânica do CEULM/ULBRA, Manaus-AM, fatmageisa2015@gmail.com;
1 INTRODUÇÃOA usinagem é um dos processos de fabricação no qual forma e dimensões são obtidas por meio de remoção de partículas de material. Nessa remoção, há geração de calor que é prejudicial à peça a ser gerada, à ferramenta, ao operador e ao ambiente de trabalho. O aquecimento excessivo deforma a peça e produz imperfeições no trabalho, em consequência do arranchamento de partículas metálicas das camadas abaixo do corte. Posteriormente, pelo calor, estas se soldam á parte cortada. Além disso, o superaquecimento reduz a vida útil da ferramenta, exigindo frequentes afiações.Devido as altas temperaturas durante um processo de usinagem, acorrem geração de calor na peça a ser usinado que podem ocorrer problemas na ferramenta e peça, isso acontece e devido as altas velocidades durante o processo de usinagem. E o fluxo de calor que percorre no campo da temperatura elas aumentam por causa da condução de calor feito pela peça e a ferramenta.O Objetivo desse trabalho é desenvolver um estudo sobre um método de modelo térmico para melhoraria da eficiência de controle de temperatura do processo de usinagem utilizando cálculos numéricos e software, analisando as temperaturas do processo com experimentos feitos, tendo como objetivos específicos utilizar funções numéricas para solução problemas térmicos, fazer um levantamento das temperaturas de calor dentro de um software. Será estudado técnicas inversas existentes para adotar uma formar mais conveniente a ser aplicada em problema térmico.A importância desse trabalho é obter um processo de usinagem com qualidade, utilizando modelos térmicos mais eficiente para controlar a temperatura do processo para não haja um defeito na peça e ferramenta.
2 REFERENCIAL TEÓRICO.Segundo Marcelo Ribeiro dos Santos (2008) problema térmico de usinagem pode ser abordado uni, bi e tridimensionalmente, sendo que atualmente são poucos trabalhos que resolvem problemas tridimensionais de forma analítica, devido à complexidade e existência de formulações numéricas que são mais fáceis e fornecem resultados bem aproximados de soluções exatas. Mas as soluções analíticas têm grande importância uma vez que servem de base para a confecção de novos estudos e metodologias]Radulescu e Kapoor (1994) apresentam um modelo tridimensional analítico para o estudo dos campos térmicos durante a usinagem com corte interrompido e contínuo. Primeiro é calculado o calor gerado no contato da ferramenta com a peça em função da força de corte. O segundo passo é construir o modelo analítico com base na equação da difusão do calor para a ferramenta. No modelo analítico são desprezados os efeitos convectivos e de resistência de contato na formulação das condições de contorno. Tais simplificações contribuem para se obter a solução analítica do problema. Ressalta-se que o modelo analítico do cavaco é válido para o regime quase permanenteSheikh; Beck; Agonafe (2003) propõem obter analiticamente a solução para o campo de temperatura em multi-dimensões e multi-camadas permanentes baseada na formulação matemática da equação da difusão do calor resolvida por Funções de Green. Uma vez obtida as soluções analíticas, três exemplos numéricos são resolvidos e comparados para mostrar a eficiência e confiabilidade da solução analítica.Grzesik; Bartoszuk; Nielonsy (2004) propõem uma metodologia numérica para calcular o campo de temperatura em uma ferramenta de metal duro P20 na usinagem do aço AISI 1045. O modelo numérico apresenta uma formulação bidimensional resolvida a partir do método das diferenças finitas modificado que recebeu o nome de Método do Equilíbrio Elementar. No método do equilíbrio elementar as equações discretizadas para cada elemento do modelo foram obtidas baseando-se no balanço de energia de cada elemento levando em consideração as possíveis condições iniciais e de contorno.No trabalho de Dinc; Lazogu; Serpenguzel (2008), o método de diferenças finitas foi usado para calcular a temperatura em um modelo bidimensional de um processo de usinagem ortogonal. Comparou-se os resultados numéricos com aos resultados experimentais medidos a partir de uma câmera infravermelho de alta precisão. Os experimentos foram realizados para dois materiais diferentes (Al 7075 e AISI 1050) e ferramentas com duas diferentes geometrias.Jie e Kevin (2007) apresenta um estudo térmico do processo de usinagem de ligas de alumínio-silício no qual utilizou-se um jato de ar para refrigerar a superfície da ferramenta de corte. Adotou-se, neste caso, um modelo tridimensional submetido a um fluxo de calor na interface de corte e nas demais superfícies considerou-se o efeito da convecção forçada devido à influência do jato de ar na ferramenta.
3 METODOLOGIA3.1 Construção do modelo térmicoPara execução de um modelo térmico, será apresentado variáveis de acordo com a pesquisa feita pelo autor ribeiro dos santos (2008), com o objetivo de determinar a distribuição da temperatura na ferramenta e mostrar os problemas térmicos encontrado na equação de difusão de calor.
Figura 01 - Esquema representativo do modelo térmico geral retangular. Fonte: Artigo Ribeiro dos santos (2008)3.2 Analisar técnicas que já são utilizados.Para começar, utilizaremos técnicas já utilizadas, como Seção Aurea, simulated annealing, função especificadas sequencial e observadores dinâmicos em função de green. que faremos um levantamento de qual a melhor técnica pode ser mais conveniente para o modelo térmico, essas técnicas serão testadas e analisadas por um software chamado INV 3D.Validação do modelos numérico encontrado.A validação vai ser feita através de experimento controlado, utilizando uma ferramenta de corte de metal, com um aquecedor, um transdutor de fluxo, e dois termopares, devidamente estarão calibradas.Montagem experimental de uma bancada.E assim em diante será montada uma bancada experimental, para análise do processo de usinagem, utilizado um torno mecânico convencional, e será analisada os problemas térmicos na usinagem, e assim avaliando a influência de corte de usinagem – profundidade de corte, avanço, e velocidade de corte (rotação).
Figura 02 - Esquema da bancada experimental. Fonte: https://www.bing.com/images/search?view
Conhecendo os parâmetros de corte, área de contato cavaco ferramenta e as temperatura e as temperaturas experimentais medidas para cada caso, resolveremos o problema inverso a partir do software INV 3D e estimar o fluxo de calor na interface de corte e a distribuição tridimensional de temperatura na ferramenta, a partir ressaltar-se que os resultados obtidos serão comparados ao método experimental do termopar ferramenta - peça, conforme Luiz (2007).
Tabela 01 - Propriedades térmicas da ferramenta variando com a temperatura (taytorspecialsteels, 2005).
Assim, o experimento da temperatura medido por termopares.
4 Recursos4.1 Para a realização do modelo térmico serão realizados com materiais recicláveis, utilizáveis e pessoais.Tabela 2 Descrição dos custos.ITEM CUSTO (RS)Computador 1800,00Torno convencional 5500,00Fonte de alimentação 120,00Transdutor de calor 816,00Metal duro 50,00termopar 40,00Termômetro digital 32,00ferramentas 300,00Fonte: Autor, 2019
5 CRONOGRAMA5.1 Na tabela abaixo traz a demonstração do cronograma de como o projeto será feito.Tabela 3 – cronograma das atividades do TCC 1.
NOV2019 DEZ2019 JAN2020 FEV2020 MAR2020 ABR2020 MAI2020 JUN2020 JUL2020 AGO2020Revisão bibliográfica X X X X Levantamento dos materiais X X Construção da análise X X X X Coleta de dados X X Analise e interpretação dos dados X X Elaboração da monografia X X X X X X Relatório final do TCC X X Revisão final do TCC X X Apresentação da Defesa final XFonte, Autor, 2019
REFERENCIAS
BORCHARDT, I. G. ; GOMES, A, F. Termometria termoelétrica- termopares. - Livro texto –Sagra: Porto Alegre, 1979.MACHADO, A. R.; SILVA, M.B. Usinagem dos Metais. 8a Ed., Brasil, 2004.LULL, Hélio Negreiro. O torno Mecãnico. Disponivel em https://webartigos.com/artigos/o-torno-mecanico/63206> Publicado em 08 de abril de 2011. Acesso em: 30.10.2019.CHIAVERINI, V Tecnologia Mecânica: Materiais de Contrução Mecânica. Vol III, 2º Ed, Mcgraw-hill, 1986.ALMEIDA, D. O; Naves, V T G; MACHADO, A. R.; SILVA M B., Influência da Direção deAplicação do Fluido de Corte na Temperatura da Interface Cavaco-Ferramenta. COBEF –CONGRESSO BARSILEIRO DE ENGENHARIA MECÂNICA DE FABRICAÇÃO, 2006, BeloHorizonte, MG, Brasil.INCROPERA, F. P., and DeWitt, D. P., Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa,John Wiley & Sons Inc.,4o Ed., 1998, Brasil.CARVALHO, S. R. Determinação da temperatura na interface cavaco-peça-ferramenta duranteo processo de usinagem por torneamento. 2005. 123 f. Tese de Doutorado em EngenhariaMecânica (Faculdade de Engenharia Mecânica) – Universidade Federal de
*Este Texto é referente ao projeto de trabalho de conclusão de curso (TCC 1), orientado pelo (a) professor(a) Fatima Geisa Mendes Teixeira.
1Acadêmico do Curso de Graduação em Engenharia Mecânica do CEULM/ULBRA, Manaus-AM, Brcastro17@gmail.com; 2Professora do Curso de Graduação em Engenharia Mecânica do CEULM/ULBRA, Manaus-AM, fatmageisa2015@gmail.com;
1 INTRODUÇÃOA usinagem é um dos processos de fabricação no qual forma e dimensões são obtidas por meio de remoção de partículas de material. Nessa remoção, há geração de calor que é prejudicial à peça a ser gerada, à ferramenta, ao operador e ao ambiente de trabalho. O aquecimento excessivo deforma a peça e produz imperfeições no trabalho, em consequência do arranchamento de partículas metálicas das camadas abaixo do corte. Posteriormente, pelo calor, estas se soldam á parte cortada. Além disso, o superaquecimento reduz a vida útil da ferramenta, exigindo frequentes afiações.Devido as altas temperaturas durante um processo de usinagem, acorrem geração de calor na peça a ser usinado que podem ocorrer problemas na ferramenta e peça, isso acontece e devido as altas velocidades durante o processo de usinagem. E o fluxo de calor que percorre no campo da temperatura elas aumentam por causa da condução de calor feito pela peça e a ferramenta.O Objetivo desse trabalho é desenvolver um estudo sobre um método de modelo térmico para melhoraria da eficiência de controle de temperatura do processo de usinagem utilizando cálculos numéricos e software, analisando as temperaturas do processo com experimentos feitos, tendo como objetivos específicos utilizar funções numéricas para solução problemas térmicos, fazer um levantamento das temperaturas de calor dentro de um software. Será estudado técnicas inversas existentes para adotar uma formar mais conveniente a ser aplicada em problema térmico.A importância desse trabalho é obter um processo de usinagem com qualidade, utilizando modelos térmicos mais eficiente para controlar a temperatura do processo para não haja um defeito na peça e ferramenta.
2 REFERENCIAL TEÓRICO.Segundo Marcelo Ribeiro dos Santos (2008) problema térmico de usinagem pode ser abordado uni, bi e tridimensionalmente, sendo que atualmente são poucos trabalhos que resolvem problemas tridimensionais de forma analítica, devido à complexidade e existência de formulações numéricas que são mais fáceis e fornecem resultados bem aproximados de soluções exatas. Mas as soluções analíticas têm grande importância uma vez que servem de base para a confecção de novos estudos e metodologias]Radulescu e Kapoor (1994) apresentam um modelo tridimensional analítico para o estudo dos campos térmicos durante a usinagem com corte interrompido e contínuo. Primeiro é calculado o calor gerado no contato da ferramenta com a peça em função da força de corte. O segundo passo é construir o modelo analítico com base na equação da difusão do calor para a ferramenta. No modelo analítico são desprezados os efeitos convectivos e de resistência de contato na formulação das condições de contorno. Tais simplificações contribuem para se obter a solução analítica do problema. Ressalta-se que o modelo analítico do cavaco é válido para o regime quase permanenteSheikh; Beck; Agonafe (2003) propõem obter analiticamente a solução para o campo de temperatura em multi-dimensões e multi-camadas permanentes baseada na formulação matemática da equação da difusão do calor resolvida por Funções de Green. Uma vez obtida as soluções analíticas, três exemplos numéricos são resolvidos e comparados para mostrar a eficiência e confiabilidade da solução analítica.Grzesik; Bartoszuk; Nielonsy (2004) propõem uma metodologia numérica para calcular o campo de temperatura em uma ferramenta de metal duro P20 na usinagem do aço AISI 1045. O modelo numérico apresenta uma formulação bidimensional resolvida a partir do método das diferenças finitas modificado que recebeu o nome de Método do Equilíbrio Elementar. No método do equilíbrio elementar as equações discretizadas para cada elemento do modelo foram obtidas baseando-se no balanço de energia de cada elemento levando em consideração as possíveis condições iniciais e de contorno.No trabalho de Dinc; Lazogu; Serpenguzel (2008), o método de diferenças finitas foi usado para calcular a temperatura em um modelo bidimensional de um processo de usinagem ortogonal. Comparou-se os resultados numéricos com aos resultados experimentais medidos a partir de uma câmera infravermelho de alta precisão. Os experimentos foram realizados para dois materiais diferentes (Al 7075 e AISI 1050) e ferramentas com duas diferentes geometrias.Jie e Kevin (2007) apresenta um estudo térmico do processo de usinagem de ligas de alumínio-silício no qual utilizou-se um jato de ar para refrigerar a superfície da ferramenta de corte. Adotou-se, neste caso, um modelo tridimensional submetido a um fluxo de calor na interface de corte e nas demais superfícies considerou-se o efeito da convecção forçada devido à influência do jato de ar na ferramenta.
3 METODOLOGIA3.1 Construção do modelo térmicoPara execução de um modelo térmico, será apresentado variáveis de acordo com a pesquisa feita pelo autor ribeiro dos santos (2008), com o objetivo de determinar a distribuição da temperatura na ferramenta e mostrar os problemas térmicos encontrado na equação de difusão de calor.
Figura 01 - Esquema representativo do modelo térmico geral retangular. Fonte: Artigo Ribeiro dos santos (2008)3.2 Analisar técnicas que já são utilizados.Para começar, utilizaremos técnicas já utilizadas, como Seção Aurea, simulated annealing, função especificadas sequencial e observadores dinâmicos em função de green. que faremos um levantamento de qual a melhor técnica pode ser mais conveniente para o modelo térmico, essas técnicas serão testadas e analisadas por um software chamado INV 3D.Validação do modelos numérico encontrado.A validação vai ser feita através de experimento controlado, utilizando uma ferramenta de corte de metal, com um aquecedor, um transdutor de fluxo, e dois termopares, devidamente estarão calibradas.Montagem experimental de uma bancada.E assim em diante será montada uma bancada experimental, para análise do processo de usinagem, utilizado um torno mecânico convencional, e será analisada os problemas térmicos na usinagem, e assim avaliando a influência de corte de usinagem – profundidade de corte, avanço, e velocidade de corte (rotação).
Figura 02 - Esquema da bancada experimental. Fonte: https://www.bing.com/images/search?view
Conhecendo os parâmetros de corte, área de contato cavaco ferramenta e as temperatura e as temperaturas experimentais medidas para cada caso, resolveremos o problema inverso a partir do software INV 3D e estimar o fluxo de calor na interface de corte e a distribuição tridimensional de temperatura na ferramenta, a partir ressaltar-se que os resultados obtidos serão comparados ao método experimental do termopar ferramenta - peça, conforme Luiz (2007).
Tabela 01 - Propriedades térmicas da ferramenta variando com a temperatura (taytorspecialsteels, 2005).
Assim, o experimento da temperatura medido por termopares.
4 Recursos4.1 Para a realização do modelo térmico serão realizados com materiais recicláveis, utilizáveis e pessoais.Tabela 2 Descrição dos custos.ITEM CUSTO (RS)Computador 1800,00Torno convencional 5500,00Fonte de alimentação 120,00Transdutor de calor 816,00Metal duro 50,00termopar 40,00Termômetro digital 32,00ferramentas 300,00Fonte: Autor, 2019
5 CRONOGRAMA5.1 Na tabela abaixo traz a demonstração do cronograma de como o projeto será feito.Tabela 3 – cronograma das atividades do TCC 1.
NOV2019 DEZ2019 JAN2020 FEV2020 MAR2020 ABR2020 MAI2020 JUN2020 JUL2020 AGO2020Revisão bibliográfica X X X X Levantamento dos materiais X X Construção da análise X X X X Coleta de dados X X Analise e interpretação dos dados X X Elaboração da monografia X X X X X X Relatório final do TCC X X Revisão final do TCC X X Apresentação da Defesa final XFonte, Autor, 2019
REFERENCIAS
BORCHARDT, I. G. ; GOMES, A, F. Termometria termoelétrica- termopares. - Livro texto –Sagra: Porto Alegre, 1979.MACHADO, A. R.; SILVA, M.B. Usinagem dos Metais. 8a Ed., Brasil, 2004.LULL, Hélio Negreiro. O torno Mecãnico. Disponivel em https://webartigos.com/artigos/o-torno-mecanico/63206> Publicado em 08 de abril de 2011. Acesso em: 30.10.2019.CHIAVERINI, V Tecnologia Mecânica: Materiais de Contrução Mecânica. Vol III, 2º Ed, Mcgraw-hill, 1986.ALMEIDA, D. O; Naves, V T G; MACHADO, A. R.; SILVA M B., Influência da Direção deAplicação do Fluido de Corte na Temperatura da Interface Cavaco-Ferramenta. COBEF –CONGRESSO BARSILEIRO DE ENGENHARIA MECÂNICA DE FABRICAÇÃO, 2006, BeloHorizonte, MG, Brasil.INCROPERA, F. P., and DeWitt, D. P., Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa,John Wiley & Sons Inc.,4o Ed., 1998, Brasil.CARVALHO, S. R. Determinação da temperatura na interface cavaco-peça-ferramenta duranteo processo de usinagem por torneamento. 2005. 123 f. Tese de Doutorado em EngenhariaMecânica (Faculdade de Engenharia Mecânica) – Universidade Federal de