An assessment of the drilling process employed by the hole-drilling method for residual stress measurements

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Tamura, Mariana Tiemi
Data de Publicação: 2016
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSC
Texto Completo: https://repositorio.ufsc.br/xmlui/handle/123456789/167751
Resumo: Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2016.
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spelling An assessment of the drilling process employed by the hole-drilling method for residual stress measurementsEngenharia mecânicaTensões residuaisPerfuração e broqueamentoDissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2016.Abstract: Predictive maintenance is important to prevent catastrophic accidents inoil and gas distribution networks, since failures in pipelines and other mechanical components may lead to serious economic and environmental consequences. A possible approach to perform predictive maintenance isto monitor periodically loads that act on these structures. This task can becarried out through the Hole-Drilling Method to measure residual stresses,a consolidated semi-destructive technique for both in-field and in-lab applications. Standardised by ASTM E837 - 13a, this method is based on ablind hole drilling that relieves local stresses; the stress relief that occurs after material removal induces a microstructure reorganization, settling the material in a new equilibrium state after producing strains on the hole surrounding surface. These strains are related to the stresses that caused them according to Hooke's law in linearly elastic isotropic materials. The measurement result provided by this technique is intrinsically sensitive to the drilling process and produced hole characteristics, since machining induced residual stresses can mislead the true stress value. Besides, the hole geometry may differ significantly from the model recommended by the standard, provoking further errors in stress calculation. This work aims to investigate a cutting tool and cutting parameters combination that presents the best performance for residual stress measurements through the Hole-Drilling Method from two perspectives: machining and Electronic Speckle Pattern Interferometry application to measure strains. Two square end mills (two and four flutes) with TiAlN coating were used to drill the following workpiece materials: aluminium alloy AA 6061, carbon steel AISI 1020 and stainless steel AISI 304L. Chip and burr formation are investigated in preliminary analysis concerning the optical technique application since the seelements can cause loss of correlation and produce unreliable data. Rotational speed and feed rates effects on machining induced residual stresses are analysed through analysis of variance. Chip analysis is performed to assess qualitatively plastic deformation suffered during the process. This information are complemented with microhardness measurements to verify microstructural changes caused by the drilling process. Four-flute end mill presented lower machining induced residual stress absolute values. Particularly, the cutting tool and cutting parameters combination yielded satisfactory results when drilling AA 6061 and AISI 1020. However, AISI304L presented highly compressive machining induced residual stresses for almost all conditions. The most influential cutting parameter on machining induced residual stress introduction was the feed rate in the majority of the tested conditions.<br>A manutenção preditiva tem um papel importante na prevenção de acidentes catastróficos em redes de distribuição de petróleo e gás, uma vez que falhas em dutos e componentes mecânicos integrantes destas malhas podem trazer graves consequências econômicas e ambientais. Um dos procedimentos usados para tal fim é o monitoramento periódico dos esforços que atuam sobre estas estruturas; isto pode ser feito através do Método do Furo Cego para medição de tensões residuais, uma técnica semi-destrutiva consolidada tanto em aplicações em campo quanto em laboratórios. Este método, normatizado pela ASTM E837 - 13a, consiste na produção de um furo cego, o qual alivia tensões localizadas; o alívio proporcionado pela remoção de material provoca a reorganização da estrutura, a qual se acomoda em uma nova condição de equilíbrio, que se expressa em deslocamentos na superfície vizinha ao furo. Os deslocamentos estão associados às tensões que as provocaram através de lei de Hooke em materiais isotrópicos linearmente elásticos. O resultado de medição desta técnica é intrinsicamente susceptível à qualidade do processo de furação e do furo produzido, pois tensões induzidas pela usinagem podem mascarar o valor de tensão que sede seja conhecer, além de produzir características geométricas que diferem significativamente do modelo padronizado pela norma e podem provocar erros no cálculo das tensões. Este trabalho visa estudar uma combinação de parâmetros de corte e ferramenta que apresente o melhor desempenho para medição de tensões residuais através do Método do Furo Cego tanto do ponto de vista da usinagem quanto da aplicação da Interferometria speckle na medição dos deslocamentos. Duas fresas de topo reto (dois e quatro gumes) com revestimento de TiAlN foram utilizadas na furação de corpos de prova dos seguintes materiais: liga de alumínio AA 6061, aço carbono AISI 1020 e aço inoxidável AISI 304L. Formação de cavaco e rebarba são avaliados em análise preliminar quanto à utilização da técnica óptica para medição de deslocamentos, uma vez que podem provocar perda de correlação e inutilizar pontos de medição. Os efeitos da rotação e da velocidade de avanço na tensão residual induzida pela usinagem são analisados através de análise de variância. Análise do cavaco é usada para avaliar qualitativamente a deformação plástica sofrida durante o processo; estas informações são complementadas com medições de microdureza para verificar alterações na microestrutura causadas pela furação. Fresas de quatro gumes apresentaram menores valores absolutos de tensão residual induzidas pela usinagem. Em particular, a combinação de ferramenta e parâmetros de corte mostrou-se satisfatória no caso do AA 6061 e AISI 1020, no entanto para o AISI 304L foram encontrados valores de tensão residual induzidas pela usinagem de caráter bastante compressivo em quase todas as condições. Observou-se que o parâmetro de corte de maior influência na introdução de tensões residuais pela usinagem foi a velocidade de avanço na maioria das condições testadas.Schroeter, Rolf BertrandGonçalves Júnior, Armando AlbertazziUniversidade Federal de Santa CatarinaTamura, Mariana Tiemi2016-09-20T04:16:54Z2016-09-20T04:16:54Z2016info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesis177 p.| il., grafs., tabs.application/pdf339489https://repositorio.ufsc.br/xmlui/handle/123456789/167751engreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2016-09-20T04:16:54Zoai:repositorio.ufsc.br:123456789/167751Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestopendoar:23732016-09-20T04:16:54Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
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