Fabricação 2

Exemplo de Proposta de Projeto 1 Desenvolvimento de Modelo Empírico para Força de Corte em Torneamento Título do Projeto Desenvolvimento e Validação de um Modelo Empírico para Previsão da Força de Corte Principal Fc no Torneamento de Nome do Material Específico ex Aço ABNT 1045 Objetivo Desenvolver um modelo matemático empírico simples para prever a força de corte principal Fc em uma operação de torneamento longitudinal do material Nome do Material Específico com base na variação de parâmetros de corte selecionados Tarefas Detalhadas 1 Revisão Bibliográfica 15 o Pesquisar e resumir os princípios dos modelos empíricos para forças de usinagem com foco na Fórmula de Kienzle e abordagens de regressão o Identificar os parâmetros de corte que mais influenciam a força de corte no torneamento do material escolhido o Analisar trabalhos similares para referência 2 Planejamento Experimental 25 o Definição do Setup Experimental Máquinaferramenta Especificar o torno a ser utilizado real ou hipotético detalhando suas capacidades se hipotético Material da Peça Nome do Material Específico dimensões iniciais Ferramenta de Corte Especificar o material da ferramenta ex metal duro geometria do inserto ex ISO CNMG 120408 portaferramenta e ângulos efetivos Sistema de Medição de Força Descrever o dinamômetro a ser utilizado ex Kistler tipo XXX e o sistema de aquisição de dados se real ou assumir um sistema ideal com precisão X se hipotético o Seleção dos Parâmetros de Corte Variáveis Independentes Justificar a escolha de 2 ou 3 parâmetros de corte para variar ex velocidade de corte vc avanço f profundidade de corte ap Definir no mínimo 3 níveis para cada parâmetro escolhido cobrindo uma faixa operacional realista o Variável de Resposta Força de Corte Principal Fc o Plano de Experimentos DOE Propor um plano experimental ex fatorial completo ou fatorial fracionado se apropriado Listar todas as combinações de ensaios a serem realizados incluindo o número de repetições por ensaio mínimo 2 para análise estatística 3 Coleta de Dados Sintetizada ou Real se possível 20 o Descrever o procedimento detalhado para a execução de cada ensaio experimental o Detalhar como a força de corte principal Fc seria medida e registrada para cada condição de corte o Como a execução real não é possível pesquisar dados típicos na literatura para o material e condições selecionadas o Apresentar os dados coletados ou sintetizados em formato tabular 4 Análise Estatística e Desenvolvimento do Modelo 30 o Realizar uma análise estatística dos dados para verificar a significância dos parâmetros escolhidos sobre Fc ex ANOVA o Propor uma forma para o modelo empírico ex linear potencial tipo Kienzle Fc Capx1 fx2 vcx3 o Utilizar software estatístico ex Excel Minitab R Python com bibliotecas ou cálculos manuais para determinar os coeficientes do modelo proposto através de regressão o Apresentar a equação final do modelo empírico o Avaliar a qualidade do ajuste do modelo ex R² análise de resíduos 5 Validação e Discussão 10 o Quando possível realizar alguns ensaios de validação com novas combinações de parâmetros dentro da faixa estudada e comparar os resultados medidos com as previsões do modelo o Discutir a precisão do modelo suas limitações e a faixa de aplicabilidade o Sugerir possíveis melhorias ou próximos passos para refinar o modelo Formato do Relatório Final O relatório deve seguir a estrutura de um trabalho técnico incluindo introdução revisão bibliográfica metodologia planejamento experimental coleta de dados resultados dados brutos modelo desenvolvido análise estatística discussão conclusão e referências Exemplo de Proposta de Projeto 2 Configuração de Simulação FEM para Análise de Forças em Fresamento Título do Projeto Configuração e Análise Preliminar de uma Simulação por Elementos Finitos FEM para Previsão de Forças de Corte em uma Operação de Fresamento de Topo Simples Objetivo Descrever detalhadamente os passos e considerações necessárias para configurar uma simulação FEM básica capaz de analisar as forças de corte Força de Corte Fc Força de Avanço Ff em uma operação de fresamento de topo de um canal reto em Nome do Material Específico ex Alumínio 6061T6 Tarefas Detalhadas 1 Revisão Conceitual 20 o Apresentar os princípios fundamentais da simulação de usinagem por FEM o Discutir os principais componentes de um modelo FEM para usinagem modelo de material modelo de atrito critérios de separação de cavaco se aplicável na abordagem e tipos de malha o Identificar softwares FEM comumente utilizados para simulação de usinagem ex Abaqus Ansys DEFORM AdvantEdge O projeto focará nos passos conceituais não exigindo acesso ou uso de um software específico 2 Definição do Problema e Escopo da Simulação 15 o Operação de Usinagem Fresamento de topo de um canal reto o Material da Peça Nome do Material Específico ex Alumínio 6061T6 o Ferramenta de Corte Fresa de topo cilíndrica de ex 2 cortes material ex Metal Duro WCCo diâmetro ex 10 mm ângulo de hélice ex 30 ângulo de folga primário ângulo de saída radial e axial o Parâmetros de Corte Definir um conjunto específico de parâmetros velocidade de corte vc avanço por dente fz profundidade de corte axial ap e profundidade de corte radial ae para canal cheio ae diâmetro da fresa o Objetivo da Simulação Prever os componentes da força de usinagem Fx Fy que podem ser relacionadas a Fc e Ff 3 Configuração do Modelo FEM Passos Detalhados 40 o Criação da Geometria CAD Descrever como a geometria da peça bloco e da ferramenta de corte fresa seria criada e posicionada Considerar simplificações necessárias ex modelar apenas uma parte da peça o Definição das Propriedades do Material Peça Especificar as propriedades mecânicas e térmicas necessárias para o material Nome do Material Específico Discutir a importância de modelos constitutivos que considerem altas taxas de deformação grandes deformações e efeitos térmicos ex JohnsonCook Como esses dados seriam obtidos Ferramenta Especificar propriedades Frequentemente modelada como rígida ou elástica o Geração da Malha Meshing Discutir a escolha do tipo de elemento ex quadriláteros tetraédricos para a peça e para a ferramenta se não for rígida Explicar a necessidade de refino da malha na região de corte e ao longo do caminho da ferramenta Mencionar técnicas como malha adaptativa adaptive meshing se relevantes para a abordagem o Definição das Condições de Contato e Atrito Descrever como o contato entre a ferramenta a peça e o cavaco seria modelado Discutir modelos de atrito aplicáveis ex Coulomb modelo de cisalhamento constante e a necessidade de coeficientes de atrito o Aplicação das Condições de Contorno e Carregamentos Como a fixação da peça seria representada Como o movimento da ferramenta rotação e avanço seria aplicado para simular a operação de fresamento definida o Critério de Separação do Cavaco se aplicável Se a simulação for do tipo Lagrangeana com formação explícita de cavaco discutir brevemente como a separação do cavaco do corpo da peça seria modelada ex critério de falha do material deleção de elementos o Configuração da Análise Solver Discutir o tipo de análise ex explícita dinâmica para simulação de corte Mencionar a necessidade de definir o tempo de simulação e os passos de incremento 4 Extração e Análise dos Resultados 15 o Descrever como os componentes da força de usinagem Fx Fy seriam extraídos dos resultados da simulação ao longo do tempo o Como esses resultados seriam processados para obter valores médios ou máximos de força o Que outros resultados relevantes poderiam ser obtidos ex temperatura tensões forma do cavaco 5 Considerações sobre Validação e Limitações 10 o Como os resultados da simulação FEM poderiam ser validados ex comparação com dados experimentais modelos analíticos ou empíricos o Discutir as principais fontes de erro e limitações de uma simulação FEM básica como a descrita o Sugerir simplificações feitas e como elas impactariam os resultados Formato do Relatório Final O relatório deve ser um documento descritivo detalhado explicando cada passo da configuração do modelo FEM Deve incluir diagramas esquemáticos podem ser desenhos simples ou capturas de tela conceituais para ilustrar as geometrias malhas e condições de contorno Estes são apenas exemplos e podem ser adaptados em termos de complexidade material específico ou tipo de operação de usinagem conforme o nível dos seus alunos e os recursos disponíveis O importante é que eles demonstrem a compreensão dos processos envolvidos na criação e aplicação desses modelos Projeto 1 Desenvolvimento de Modelo Empírico para Força de Corte em Torneamento Título do Projeto Desenvolvimento e Validação de um Modelo Empírico para Previsão da Força de Corte Principal Fc no Torneamento do Aço ABNT 1045 1 Revisão Bibliográfica Resumo A análise das forças de usinagem é fundamental para a otimização dos processos de torneamento impactando a vida útil da ferramenta a qualidade da peça e o consumo de energia Modelos empíricos oferecem uma abordagem prática para prever essas forças baseandose em dados experimentais e análises estatísticas Estes modelos relacionam os parâmetros de corte como velocidade de corte vc avanço f e profundidade de corte ap com as forças resultantes A Fórmula de Kienzle Fc kc Akc11 bh1mc é um exemplo clássico onde kc é a pressão específica de corte A é a área da seção de cavaco b é a largura do cavaco e h a espessura Os coeficientes kc11 e mc são determinados experimentalmente para cada material Abordagens mais gerais utilizam técnicas de regressão múltipla linear ou não linear para ajustar equações da forma Fc Cvcx1 fx2 apx3 aos dados experimentais Para o aço ABNT 1045 a literatura indica que ap e f têm influência significativa em Fc enquanto o efeito de vc pode ser menos pronunciado em certas faixas 2 Exemplo de Planejamento Experimental 21 Definição do Setup Experimental Máquinaferramenta Torno CNC ROMI GL240M hipotético com rigidez adequada para os ensaios Material da Peça Barra cilíndrica de Aço ABNT 1045 normalizado com diâmetro inicial de Ø60mm e comprimento de 250mm Ferramenta de Corte o Inserto Sandvik CNMG 120408PM classe GC4325 metal duro revestido o Portaferramenta PCLNR 2525M 12 o Ângulos efetivos Ângulo de posição Kr 95 ângulo de saída γo 6 ângulo de folga αo 6 Sistema de Medição de Força Dinamômetro piezoelétrico Kistler tipo 9129AA conectado a um amplificador de carga Kistler 5070A e sistema de aquisição de dados National Instruments com software LabVIEW para registrar Fc Ff e Fp Foco será em Fc 22 Seleção dos Parâmetros de Corte Variáveis Independentes Com base na revisão bibliográfica e relevância para Fc 1 Velocidade de Corte vc o Nível 1 120 mmin o Nível 2 180 mmin o Nível 3 240 mmin 2 Avanço f o Nível 1 010 mmrot o Nível 2 020 mmrot o Nível 3 030 mmrot 3 Profundidade de Corte ap o Nível 1 05 mm o Nível 2 10 mm o Nível 3 15 mm 23 Variável de Resposta Força de Corte Principal Fc medida em Newtons N 24 Plano de Experimentos DOE Será utilizado um plano fatorial completo 33 resultando em 27 combinações de ensaios Cada ensaio será repetido duas vezes para permitir a análise da variabilidade e aumentar a confiabilidade estatística totalizando 54 passes de usinagem A ordem dos ensaios será aleatorizada para minimizar efeitos de variáveis não controladas Exemplo de combinações de ensaio primeiras 3 1 vc 120 mmin f010 mmrot ap 05 mm Repetição 1 e 2 2 vc 120 mmin f010 mmrot ap 10 mm Repetição 1 e 2 3 vc 120 mmin f010 mmrot ap 15 mm Repetição 1 e 2 e assim por diante 3 Coleta de Dados Procedimento e Exemplo de Dados Sintetizados Cada passe de usinagem terá um comprimento de 50 mm para garantir a estabilização da força A força de corte Fc será amostrada a uma taxa de 1 kHz O valor médio de Fc na região estável de cada passe será considerado para análise Antes de cada conjunto de ensaios um novo gume de corte será utilizado ou o inserto será rotacionado para garantir condições de corte consistentes Tabela de Exemplo com Dados Sintetizados parcial Ensaio vc mmin f mmrot ap mm Fc Rep1 N Fc Rep2 N Média Fc N 1 120 010 05 285 295 290 2 120 010 10 580 590 585 3 120 010 15 870 885 8775 27 240 030 15 1550 1565 15575 4 Análise Estatística e Desenvolvimento do Modelo Os dados médios de Fc para cada combinação de parâmetros serão utilizados 1 Análise de Variância ANOVA Será realizada para determinar a significância estatística de cada parâmetro de corte vc fap e suas interações sobre a força de corte Fc Um nível de significância α005 será adotado 2 Forma do Modelo Empírico Propõese um modelo de lei de potência similar à forma generalizada de Kienzle Fc Cvcx1 fx2 apx3 Este modelo pode ser linearizado aplicando logaritmos lnFc lnCx1 lnvc x2 lnfx3 lnap 3 Regressão Múltipla Utilizando um software estatístico ex Minitab ou Python com statsmodels será realizada a regressão linear múltipla nos dados transformados para estimar os coeficientes lnCx1 x2 x3 Exemplo de resultados hipotéticos da regressão o lnC65C665 o x1 015 efeito negativo leve da velocidade de corte o x2 078 forte efeito do avanço o x3 098 forte efeito da profundidade de corte 4 Equação Final do Modelo Exemplo Fc 665vc015 f078ap098 5 Avaliação do Ajuste o Coeficiente de Determinação R² Esperase um R² 090 Ex R² 094 o Análise de Resíduos Verificar normalidade homocedasticidade e independência dos resíduos para validar as suposições do modelo de regressão 5 Validação e Discussão Validação Serão realizados 35 ensaios adicionais com combinações de parâmetros de corte diferentes das usadas no desenvolvimento do modelo mas dentro da faixa experimental Os valores de Fc medidos serão comparados com as previsões do modelo e o erro percentual será calculado Precisão A precisão será avaliada com base no R² e nos erros de validação Limitações o O modelo é válido apenas para as condições testadas material Aço ABNT 1045 ferramenta específica faixa de parâmetros o Não considera o desgaste da ferramenta o Não inclui efeitos dinâmicos ou de vibração o A influência da temperatura não é explicitamente modelada apenas refletida nos coeficientes Melhorias Futuras o Incluir o efeito do desgaste da ferramenta o Expandir a faixa de parâmetros o Testar outros materiais o Considerar termos de interação mais complexos no modelo Configuração de Simulação FEM para Análise de Forças em Fresamento Título do Projeto Configuração e Análise Preliminar de uma Simulação por Elementos Finitos FEM para Previsão de Forças de Corte em uma Operação de Fresamento de Topo Simples do Alumínio 6061T6 1 Revisão Conceitual Resumo A simulação por Elementos Finitos FEM é uma ferramenta poderosa para analisar processos de usinagem permitindo prever forças tensões temperaturas e formação de cavaco O método consiste em discretizar o domínio contínuo peça e ferramenta em uma malha de elementos finitos onde as equações governantes da mecânica e termodinâmica são resolvidas numericamente Componentes chave de um modelo FEM para usinagem incluem Modelo de Material da Peça Deve descrever o comportamento do material sob altas taxas de deformação grandes deformações plásticas e elevadas temperaturas ex modelo de JohnsonCook Modelo de Material da Ferramenta Frequentemente modelada como rígida ou elástica com alta dureza Modelo de Atrito Essencial para descrever a interação na interface cavacoferramenta e peçaferramenta ex Coulomb modelo de tensão de cisalhamento limite Critério de Separação de Cavaco Necessário em formulações Lagrangeanas para simular a remoção de material ex baseado em deformação crítica energia de fratura Malha A qualidade e o refino da malha especialmente na zona de corte são cruciais para a precisão Técnicas como remalhamento adaptativo ALE Arbitrary LagrangianEulerian são comuns Softwares como Abaqus ANSYS DEFORM e AdvantEdge são amplamente utilizados Este projeto se concentrará nos passos conceituais da configuração 2 Definição do Problema e Escopo da Simulação Operação de Usinagem Fresamento de topo de um canal reto slotting Material da Peça Alumínio 6061T6 Ferramenta de Corte Fresa de Topo o Material Metal Duro WCCo o Número de Cortes z 2 o Diâmetro D 10 mm o Ângulo de Hélice β 30 o Ângulo de Folga Primário αp 10 o Ângulo de Saída Radial γr 5 Parâmetros de Corte para um conjunto de simulação o Velocidade de Corte vc 200 mmin calculase Nvc πD o Avanço por Dente fz 01 mmdente calculase vf fz zN o Profundidade de Corte Axial ap 5 mm o Profundidade de Corte Radial ae 10 mm canal cheio Objetivo da Simulação Prever os componentes da força de usinagem no sistema de coordenadas da ferramenta Fx Fy e a força resultante no plano de trabalho 3 Configuração do Modelo FEM Passos Detalhados 31 Criação da Geometria CAD Peça Um bloco retangular simples ex 100mm de comprimento 30mm de largura 20mm de altura será modelado Ferramenta A fresa de topo será modelada com seu diâmetro número de dentes e ângulo de hélice Para simplificar a haste pode ser omitida inicialmente focando na parte cortante A geometria exata do gume raio de arredondamento é importante e seria idealmente incluída Posicionamento A ferramenta será posicionada inicialmente tocando a superfície da peça pronta para iniciar o corte do canal 32 Definição das Propriedades do Material Peça Alumínio 6061T6 o Modelo Constitutivo JohnsonCook Este modelo é adequado pois considera os efeitos da deformação plástica equivalente taxa de deformação e temperatura no escoamento do material σABεn1Clnεε0 1TTmelt m o Parâmetros do JohnsonCook para Al 6061T6 seriam obtidos da literatura técnica ex A B n C m Tmelt ε0 o Propriedades Térmicas Condutividade térmica calor específico coeficiente de expansão térmica o Propriedades Elásticas Módulo de Young coeficiente de Poisson o Densidade Ferramenta Metal Duro WCCo o Será modelada como rígida para simplificar a análise e reduzir o custo computacional pois sua deformação é muito menor que a da peça Alternativamente pode ser modelada como elástica com alto Módulo de Young o Se elástica Módulo de Young Coeficiente de Poisson densidade o Propriedades térmicas também são importantes se a transferência de calor para a ferramenta for analisada 33 Geração da Malha Meshing Peça o Tipo de Elemento Elementos hexaédricos de primeira ordem com formulação Lagrangeana explícita ex C3D8R no Abaqus o Refino Malha significativamente refinada na região onde o canal será usinado e onde o cavaco será formado Uma malha mais grossa pode ser usada nas regiões mais afastadas da zona de corte o Técnica Adaptive Meshing ALE será ativada na região de corte para mitigar distorções excessivas dos elementos durante a formação do cavaco permitindo grandes deformações Ferramenta Se modelada como elástica uma malha relativamente mais grossa que a da peça Se rígida a superfície externa é definida como analiticamente rígida ou discretizada com elementos rígidos 34 Definição das Condições de Contato e Atrito Contato Definir o contato entre a superfície da ferramenta gumes de corte e a peça Um algoritmo de contato surfacetosurface com formulação de penalidade ou Lagrange aumentado Atrito Modelo de atrito de Coulomb modificado ou um modelo baseado na tensão de cisalhamento o Exemplo Coeficiente de atrito μ de 015 03 para AlumínioMetal Duro valor a ser pesquisado ou ajustado O atrito pode depender da pressão de contato e velocidade de deslizamento 35 Aplicação das Condições de Contorno e Carregamentos Peça A base inferior da peça será totalmente engastada todos os graus de liberdade restringidos para simular a fixação em uma morsa Ferramenta o Rotação Velocidade angular constante N aplicada em torno do eixo da ferramenta o Avanço Velocidade linear constante vf aplicada ao centro da ferramenta na direção do comprimento do canal o Os demais graus de liberdade da ferramenta são restringidos permitindo apenas rotação em torno do seu eixo e translação na direção do avanço 36 Critério de Separação do Cavaco Como a formulação Lagrangeana explícita com malha adaptativa ALE será usada a separação do cavaco ocorre naturalmente pela grande deformação dos elementos na zona de cisalhamento primária Alternativamente se não usar ALE ou para refinar a simulação um critério de dano ex JohnsonCook damage model critério de cisalhamento dúctil pode ser implementado Quando um elemento atinge o critério de dano suas propriedades são degradadas ou ele é removido da simulação permitindo a formação do cavaco 37 Configuração da Análise Solver Tipo de Análise Dinâmica explícita adequada para eventos de curta duração e alta nãolinearidade como a usinagem Tempo de Simulação Suficiente para que a fresa complete o corte de uma pequena seção do canal e as forças se estabilizem ex alguns milissegundos dependendo do avanço e do comprimento do canal simulado Passos de Incremento O solver explícito determinará automaticamente os incrementos de tempo para garantir a estabilidade baseado no critério de Courant Saídas Requeridas Forças de reação nos nós da ferramenta para calcular Fx Fy tensões deformações plásticas temperaturas 4 Extração e Análise dos Resultados Os componentes da força de reação Fx Fy Fz nos nós de referência da ferramenta serão extraídos em função do tempo Os dados de força bruta ao longo do tempo apresentarão flutuações devido à rotação dos dentes Serão calculados o Força média em cada direção o Força máxima pico em cada direção o Força resultante no plano de trabalho Fxy Fx2 Fy2 Outros resultados como a distribuição de tensões de Von Mises na peça e no cavaco a temperatura na zona de corte e a morfologia do cavaco serão visualizados para entender melhor o processo 5 Considerações sobre Validação e Limitações Validação o Comparar as forças previstas com dados experimentais de literatura para Al 6061T6 sob condições de corte similares se disponíveis o Comparar com previsões de modelos analíticos ou empíricos para a mesma operação o Realizar uma análise de sensibilidade da malha refinar a malha e verificar se os resultados convergem Limitações e Simplificações o A precisão depende fortemente da acurácia do modelo de material JohnsonCook e seus parâmetros que podem variar o O modelo de atrito é uma simplificação o A geometria da ferramenta especialmente o raio de gume pode ser simplificada o Vibrações da máquinaferramenta chatter não são consideradas neste modelo básico o O desgaste da ferramenta não é modelado o Efeitos térmicos podem ser complexos de modelar com precisão ex convecção radiação o O custo computacional mesmo para uma simulação básica pode ser significativo Ambas as respostas demonstram uma abordagem estruturada e detalhada cobrindo os principais aspectos solicitados em cada proposta de projeto