Development, application and validation of a new cooling technique applied for Inconel 718® machining

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Fernandes, Gustavo Henrique Nazareno
Data de Publicação: 2023
Tipo de documento: Tese
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Institucional da UFU
Texto Completo: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/39272
http://doi.org/10.14393/ufu.te.2023.356
Resumo: This thesis used artificial intelligence to improve writing fluency. (Este tese contou com a utilização de inteligência artificial para melhorar a fluência de escrita).
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spelling Development, application and validation of a new cooling technique applied for Inconel 718® machiningDesenvolvimento, aplicação e validação de uma nova técnica de resfriamento aplicada à usinagem Inconel 718®Inconel 718 machiningUsinagem do Inconel 718CoolingRefrigeraçãoInternally cooled toolsFerramentas Refrigeradas InternamenteEco-friendly machiningUsinagem ecológicaSustainabilitySustentabilidadeCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::PROCESSOS DE FABRICACAO::PROCESSOS DE FABRICACAO, SELECAO ECONOMICAThis thesis used artificial intelligence to improve writing fluency. (Este tese contou com a utilização de inteligência artificial para melhorar a fluência de escrita).Elevated temperatures can have detrimental effects on the quality of the machined output, including loss of dimensional tolerance, surface integrity issues and reduced tool life. Traditionally, the main method to avoid these problems is the application of Cutting Fluids in Abundance (CFA). However, this technique presents sustainability challenges in the social, environmental, and economic dimensions. Researchers have been exploring alternative cooling methods that aim to reduce or eliminate reliance on these inputs. This project sought to develop and test a new cooling method for machining, focusing on the turning of Inconel 718, a high-value superalloy. Coated tungsten carbide tools were used: TiNAl and a double coating, AlCrN over TiNAl, referred to as AlCrN+. They were integrated into an adapted tool holder with internal channels for circulation of a cooling fluid. An Design of Experiment (DoE) was employed, involving three atmospheres: internally cooled tools (ICTs), dry machining (DM) and the conventional use of abundant cutting fluids (CFA). Temperature analysis, conducted using a thermocamera and the tool-part thermocouple method, identified the speed (vc) and depth of cut (ap), as well as feed (f), atmospheres (ICT, DM and CFA), in addition to coatings (TiNAL and AlCrN+) as the main input variables that affect temperature. In this case, the TiNAl coating together with the ICTs contributed significantly to the temperature reduction. However, the temperature at the interface between the chip and the tool increased with the basic machining parameters (vc, ap, f) and was significantly affected by the atmosphere, with the ICTs demonstrating excellent performance. In terms of cutting forces, roughness and tool life, this research revealed that TiNAl together with ICTs outperformed CFA, removing 27% more material and an impressive 262% more than DM. AlCrN+ together with CFA, presented superior performance, providing a 46% increase in material removal compared to ICTs and a 306% increase in relation to DM. The TiNAl coating contributed to the increase in cutting forces, while other variables were not significant. Roughness was mainly influenced by coating, with no significant differences observed between atmospheres. Analyzes of wear mechanisms showed that abrasion, adhesion, oxidation and diffusion were observed regardless of coating or atmospheric conditions. Notably, the AlCrN+ coating showed a smoother and more uniform wear pattern, with a prevalence of flank and crater wear. In summary, internally cooled tools offer an innovative and environmentally friendly solution for machining operations. They excel in their heat dissipation capabilities, outperforming the CFA in some situations and significantly outperforming the DM. However, continuous efforts are needed to improve the lack of lubricity of the lubrication system and possible leakage problems.CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorTese (Doutorado)Temperaturas elevadas podem ter efeitos prejudiciais na qualidade da saída usinada, incluindo perda de tolerância dimensional, problemas de integridade da superfície e redução da vida útil da ferramenta. Tradicionalmente, o principal método para evitar esses problemas é aplicação Fluidos de Corte em Abundância (FCA). No entanto, essa técnica apresenta desafios de sustentabilidade nas dimensões social, ambiental e econômica. Os pesquisadores têm explorado os métodos alternativos de resfriamento que visam reduzir ou eliminar a dependência desses insumos. Este projeto buscou desenvolver e testar um novo método de resfriamento para usinagem, com foco no torneamento do Inconel 718, uma superliga de alto valor. Foram utilizadas ferramentas de carboneto de tungstênio revestidas: TiNAl e um revestimento duplo, AlCrN sobre TiNAl, referido como AlCrN+. Elas foram integradas a um porta-ferramentas adaptado com canais internos para circulação de um fluido de resfriamento. Foi empregado um planejamento experimental (DoE), envolvendo três atmosferas: ferramentas refrigeradas internamente (FRIs), usinagem a seco (US) e o uso convencional de fluidos de corte em abundância (FCA). A análise de temperatura, conduzida usando uma termocâmera e o método de termopar ferramenta-peça, identificou a velocidade (vc) e a profundidade de corte (ap), assim como o avanço (f), atmosferas (FRI, US e FCA), além dos revestimentos (TiNAL e AlCrN+) como as principais variáveis de entrada que afetam a temperatura. Neste caso, o revestimento TiNAl junto com as FRIs contribuíram significativamente para a redução da temperatura. No entanto, a temperatura na interface entre o cavaco e a ferramenta aumentou com os parâmetros básicos de usinagem (vc, ap, f) e foi significativamente afetada pela atmosfera, com as FRIs demonstrando excelente desempenho. Quanto às forças de corte, rugosidade e vida útil das ferramentas, esta pesquisa revelou que o TiNAl em conjunto com as FRIs superou o FCA, removendo 27% mais material e impressionantes 262 % a mais do que a US. Já o AlCrN+ junto com FCA, o apresentou desempenho superior, proporcionando um aumento de 46 % na remoção de material em comparação com as FRIs e um aumento de 306 % em relação a US. O revestimento TiNAl contribuiu para o aumento das forças de corte, enquanto outras variáveis não foram significativas. A rugosidade foi influenciada principalmente pelo revestimento, sem diferenças significativas observadas entre as atmosferas. As análises dos mecanismos de desgaste mostraram que abrasão, aderência, oxidação e difusão foram observadas independentemente do revestimento ou das condições de atmosfera. Notavelmente, o revestimento AlCrN+ apresentou um padrão de desgaste mais suave e uniforme, com prevalência de desgaste de flanco e cratera. Em resumo, as ferramentas resfriadas internamente oferecem uma solução inovadora e ecologicamente correta para operações de usinagem. Elas se destacam em suas capacidades de dissipação de calor, superando o CFA em algumas situações e superando significativamente o DM. No entanto, são necessários esforços contínuos para melhorar a falta de capacidade lubrificante do sistema lubrificação e possíveis problemas de vazamento.Universidade Federal de UberlândiaBrasilPrograma de Pós-graduação em Engenharia MecânicaMartins, Paulo Sérgiohttp://lattes.cnpq.br/6979394011332346Machado, Álisson Rochahttp://lattes.cnpq.br/0203667980247686Silva, Márcio Bacci dahttp://lattes.cnpq.br/9291398329256011Silva, Rosemar Batista dahttp://lattes.cnpq.br/8157858526322556Ventura, Carlos Eiji Hiratahttp://lattes.cnpq.br/1689198421096127Hassui, Amaurihttp://lattes.cnpq.br/9862345799372101Fernandes, Gustavo Henrique Nazareno2023-10-10T18:41:32Z2023-10-10T18:41:32Z2023-08-15info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfFERNANDES, Gustavo Henrique Nazareno. Development, application and validation of a new cooling technique applied for Inconel 718® machining. 2023. 227 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2023. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2023.356.https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/39272http://doi.org/10.14393/ufu.te.2023.356enghttp://creativecommons.org/licenses/by/3.0/us/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFUinstname:Universidade Federal de Uberlândia (UFU)instacron:UFU2023-10-11T16:47:18Zoai:repositorio.ufu.br:123456789/39272Repositório InstitucionalONGhttp://repositorio.ufu.br/oai/requestdiinf@dirbi.ufu.bropendoar:2023-10-11T16:47:18Repositório Institucional da UFU - Universidade Federal de Uberlândia (UFU)false
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