Workpiece temperature measurement in radial turning for the purpose of modeling and simulation

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Caspel, Theodor Rucker van
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSC
Texto Completo: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/244080
Resumo: Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2022.
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spelling Workpiece temperature measurement in radial turning for the purpose of modeling and simulationEngenharia mecânicaUsinagemTorneamentoTemperaturaDissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2022.Muitas peças que requerem resistência à fadiga e são submetidas a elevados esforços mecânicos são fabricadas em aços endurecidos. O processo de acabamento tradicionalmente utilizado para aços endurecidos é a retificação, entretanto, o torneamento se tornou uma alternativa à retificação no início dos anos 80. Desde então, há a necessidade do melhor entendimento do processo de torneamento de materiais endurecidos. Estudos recentes de torneamento de aços endurecidos reportaram uma diminuição nas forças e um aumento na formação de camada branca conforme a ferramenta se aproxima do centro da peça durante o torneamento radial, indicando um aumento de temperatura ao longo do processo. Com o movimento da ferramenta em direção ao centro de rotação da peça, o raio do arco que descreve o movimento entre ferramenta e peça diminui, necessitando um aumento da velocidade angular para manter a velocidade escalar. Este aumento de velocidade, na forma de aumento de rotação, diminui o intervalo de tempo entre a passagem da ferramenta por uma região da peça. Devido a isso a medição da temperatura e pontos específicos da peça pode trazer mais informações sobre o fenômeno. Portanto, o objetivo desta pesquisa foi medir a temperatura na peça durante o torneamento radial de modo a verificar se o suposto aumento de temperatura ocorre e investigar possíveis causas para este aumento. Para isso, um dispositivo para medição de temperatura foi desenvolvido utilizando uma plataforma de prototipagem como base. Termopares tipo K embutidos próximos à superfície em diferentes distâncias do centro da peça foram usados para verificar se há diferença de temperatura entre as regiões. Devido ao dispositivo de medição de temperatura estar em fase de protótipo, os experimentos nesta pesquisa foram feitos usando o aço AISI 1040 ao invés de aço endurecido, e ferramentas novas e desgastadas foram utilizadas. Além da medição de temperatura durante o torneamento utilizando o dispositivo desenvolvido, as forças do processo foram medidas utilizando um dinamômetro piezelétrico. Análises no domínio do tempo e da frequência foram feitas após os experimentos. O dispositivo desenvolvido indicou um aumento de temperatura durante o processo nas áreas mais próximas ao centro da peça. O dispositivo também foi capaz de medir pulsos de temperatura nestas regiões com frequências próximas da frequência instantâneas de rotação da peça, o que significa que provavelmente existe uma relação entre o aumento da rotação e o aumento da temperatura. Vibrações foram detectadas em regiões próximas aos termopares causados por seus furos de inserção. Foi feita uma análise das falhas do dispositivo. Soluções para as falhas e possíveis melhorias para o dispositivo foram propostas. Algumas das soluções e melhorias não foram aplicadas neste momento pois as mesmas requerem a o reprojeto e a fabricação e teste de um novo protótipo e, portanto, devem ser aplicadas em trabalhos futuros.Abstract: Many parts that require fatigue resistance and are submitted to high mechanical loads are fabricated in hardened steels. The traditional finishing process used for hardened steels is grinding, however, hard turning has become an alternative to grinding in the early 80s. Since then, there is a need to better understand the hard turning process. Recent hard turning studies reported a decrease in forces and an increase in white layer formation as the tool approached the workpiece center during radial turning, which indicates a temperature increase along the process. With the movement of the tool toward the workpiece rotation center, the radius of the arch that describes the movement between tool and workpiece diminishes, requiring an increase of angular speed to maintain the scalar speed. This speed increase, in the form of rotation increase, decreases the time interval between tool passage by a region of the workpiece. Because of that, measuring the temperature in specific points of the workpiece can bring more information about the phenomena. Therefore, the objective of this research was to measure the temperature in the workpiece during radial turning to verify if the supposed temperature increase occurs and to investigate possible causes for this increase. For this, a temperature measurement device was developed using a prototyping platform as a basis. Type K thermocouples embedded close to the surface at different distances from the workpiece center were used to verify if there is a difference in temperature between the regions. Due to the temperature measurement device being in a prototyping phase, the machining experiments in this research were made using the AISI 1040 steel instead of hardened steel, and new and worn tools were used. In addition to temperature measurement during turning using the developed device, the process forces were measured using a piezoelectric dynamometer. Analyzes in the domain of time and frequency were made after the experiments. The developed device indicated a temperature increase during the process in regions closer to the workpiece center. The device was also capable of measuring temperature pulses in these regions with frequency close to the instant rotation frequency of the workpiece, meaning that there probably is a relation between the rotation increase and temperature increase. Vibration was detected in the regions close to the thermocouples caused by their insertion holes. A failure analysis was done for the device. Solutions for the failures and possible enhancements for the device were proposed. Some of the solutions and enhancements were not applied in this moment because they require redesign and fabrication and testing of a new prototype and, therefore, must be applied in a future work.Schroeter, Rolf BertrandSilveira, Claudio Abilio da SilveiraUniversidade Federal de Santa CatarinaCaspel, Theodor Rucker van2023-01-27T23:08:58Z2023-01-27T23:08:58Z2022info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesis129 p.| il., gráfs.application/pdf380128https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/244080engreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2023-01-27T23:08:58Zoai:repositorio.ufsc.br:123456789/244080Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestopendoar:23732023-01-27T23:08:58Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
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