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Adaptação de um manipulador flexível para dois graus de liberdade
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2022-07-15) Morais, Stephanie Gomes de; Oliveira, Adilson José de; Rodrigues, Kelly Kaliane Rego da Paz; Melo, Anderson Clayton Alves de; Andrade, Igor Lopes de
Os manipuladores robóticos são sistemas mecânicos, controlados por softwares, que realizam tarefas pré-definidas tipicamente aplicadas à movimentação de cargas em ambientes industriais. Entre as principais vantagens desses sistemas se destacam a realização de atividades com elevadas cargas, alto nível de segurança e uma maior taxa de produção. Além disso, os manipuladores robóticos podem ser utilizados em locais insalubres, de elevada pressão ou de difícil acesso. Existem dois grupos de manipuladores robóticos: os rígidos e os flexíveis. Os manipuladores flexíveis têm sido uma alternativa para reduzir a massa, demanda de energia e, também, incrementar a velocidade nos típicos manipuladores rígidos. Contudo, o desafio no caso dos manipuladores flexíveis é o controle de posição, pois as deformações nos componentes necessitam ser consideradas para o posicionamento. Esta pesquisa avança a linha de pesquisa sobre manipuladores flexíveis com o objetivo de incrementar um segundo grau de liberdade em um manipulador previamente desenvolvido com um grau de liberdade. Os movimentos do manipulador são realizados com o auxílio de motores DC controlados pelo hardware MyRio 1900 associado ao software LabView 2017. O projeto conceitual determinou formas para o sistema mecânico girar 360° e ter um movimento axial de 70 mm. O controle foi realizado com a abordagem Proporcional, Integral e Derivativo (PID) e a leitura dos movimentos de rotação dos motores foi realizada com o auxílio de encoders. O desempenho do controle foi avaliado com o erro médio absoluto (EAM) e valores de 0,7 mm e 5,5° foram obtidos para os movimentos axial e angular, respectivamente. Portanto, o manipulador mostra-se adequado ao uso e disponível para incrementos tecnológicos adicionais.
Análise do puncionamento do AHSS Ferrítico-Bainítico (FB590) em temperaturas ambiente e criogênica
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2023-12-15) Barbosa, Jonas Medeiros de Azevedo; Oliveira, Adilson José de; Costa Júnior, João Carlos Arantes; https://orcid.org/0000-0001-8498-4075; http://lattes.cnpq.br/5028446242533356; https://orcid.org/0000-0001-6104-569X; http://lattes.cnpq.br/3158071963293362; http://lattes.cnpq.br/8078447131788495; Ferreira, Jetson Lemos; Castro, Nicolau Apoena
Os aços avançados de alta resistência (AHSS) são utilizados em estruturas veiculares por permitir uma combinação entre resistência mecânica e conformabilidade nos processos de manufatura, visando à redução da massa do veículo. Esses aços são comumente fornecidos em chapas finas, e precisam passar por etapas de conformação e de estampagem para definição da geometria do produto, sendo uma das etapas críticas o corte por puncionamento. O AHSS Ferríta-Bainita (FB) se destaca por apresentar elevada conformabilidade local, possibilitando a obtenção de reforços estruturais como flanges. O comportamento dos AHSS envolve valores limite de deformação plástica e resistência à tração elevadas e, durante a operação de puncionamento, varia em função de parâmetros como folga de corte, geometria do punção e temperatura. Modelos para avaliar os efeitos de temperaturas superiores a ambiente em operações de conformação estão disponíveis na literatura, mas há carência de estudos em temperaturas criogênicas. Visando estudar o comportamento desse material, esta pesquisa tem como objetivo simular o puncionamento do AHSS FB590 em temperatura ambiente e criogênica, para analisar a influência da transição dúctil-frágil na borda de corte. Uma metodologia para obtenção de dados de triaxialidade e deformação plástica, necessários para calibração dos modelos constitutivos, foi desenvolvida utilizando a correlação de imagem digital (CID) com o objetivo de determinar o momento de fratura. As simulações de expansão de furos evidenciaram que um incremento no diâmetro final do furo de 4,7 mm pode ser obtido com a alteração da operação anterior de puncionamento de temperatura ambiente para criogênica.
Desenvolvimento da instrumentação para um protótipo de sistema flexível de manufatura
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2024-10-28) Batista, Lucas Damasceno de Araújo; Oliveira, Adilson José de; Souza, Thiago Cardoso de; https://orcid.org/0000-0001-6104-569X; http://lattes.cnpq.br/3158071963293362; https://orcid.org/0000-0002-0547-3718; http://lattes.cnpq.br/3258161610687398; Santana Júnior, Orivaldo Vieira de; Santos, Tiago Felipe de Abreu
O conceito de Indústria 4.0 permite a manufatura de diversos produtos ao integrar processos tradicionais às tecnologias de informação. Esse conceito aplica-se a Sistemas Flexíveis de Manufatura (FMS), que consistem em conjuntos automatizados de várias máquinas-ferramenta, tipicamente controladas por comandos numéricos (CNC’s), e interligadas por um sistema de transporte, manipulação e armazenamento de produtos. Um sistema centralizado para a tomada de decisões é o responsável pelo controle desse agrupamento. O sistema pode ter uma réplica virtual (Gêmeo Digital) para testes funcionais. O objetivo geral deste estudo foi desenvolver um protótipo de FMS composto por uma esteira e um manipulador robótico com 6 graus de liberdade, instrumentado com transdutores para localização e reconhecimento de objetos (cor, formato e QR Code). Rotinas de visão computacional foram desenvolvidas para reconhecer atributos visuais dos objetos contidos sobre a esteira. Um controle baseado em cinemática inversa pelo método algébrico objetivou manipular esses objetos reconhecidos para locais predefinidos e com base nos atributos visuais. Uma câmera e um transdutor a laser associado a um microcontrolador MyRIO 1900 instrumentaram o protótipo de FMS. O software LabVIEW® permitiu a criação das rotinas computacionais descritas; e o software Unity®, a implementação de um Gêmeo Digital do protótipo. O transdutor a laser identificou a presença de objetos em 76% dos casos e ativou e desativou as rotinas de visão computacional em situações específicas. A manipulação de objetos seguiu um caminho definido por uma equação paramétrica de Bézier de 4ª ordem. O Gêmeo Digital movimentou o sistema virtual com base em dados recebidos do sistema físico do protótipo de FMS mediante uma comunicação LAN em um tempo inferior a 2 ms e sem perdas de informações.
Desenvolvimento de dinamômetro híbrido aplicado ao 4° eixo de um centro de usinagem
(2020-01-31) Silva, Dávila Moreira Lopes; Oliveira, Adilson José de; ; ; Bessa, Wallace Moreira; ; Silveira, Zilda de Castro;
No contexto da usinagem multieixos de componentes mecânicos com geometrias complexas, as configurações convencionais de dinamômetros (estacionários e rotativos) não se adequam às condições de operação. Isso acontece devido à montagem dos dispositivos estacionários limitar a geometria e o tamanho do material usinado, enquanto a montagem dos dispositivos rotativos é influenciada pelas interferências no sinal de força em condições de altas rotações do eixo-árvore. Com intuito de propor uma solução para tal problemática, esta pesquisa tem como objetivo o desenvolvimento de um dinamômetro híbrido, baseado em extensômetros, para ser montado em um quarto eixo de um centro de usinagem, e capaz de medir força axial e torque. Etapas como a realização do projeto preliminar, das análises de tensões e deformações, da instrumentação, da calibração estática e da avaliação da frequência natural foram necessárias para a construção do dispositivo. Além disso, o desenvolvimento de um sistema de transferência de dados sem fio deve ser realizado. Para tal, fez-se necessária a construção de um par de circuitos impressos para o condicionamento e amplificação dos sinais; de um módulo de transmissão sem fio e de um programa para processamento dos dados de carregamentos mecânicos. Os resultados mostraram que o projeto preliminar atende aos requisitos de operação do dinamômetro para carregamentos de até 1 kN e de 30 Nm, que a manufatura dos componentes atende às tolerâncias estabelecidas em projeto, que a instrumentação foi realizada adequadamente, que o sistema de tranferência de dados sem fio é capaz de emitir dados a frequência média de 700 Hz, e que a menor frequência natural de vibração do dispositivo encontra-se a 602,2 Hz.
Desenvolvimento de gêmeo digital suportado por instrumentação em um protótipo de sistema flexível de manufatura
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2024-08-12) Araújo, Jállyson Levy de Queiroz; Oliveira, Adilson José de; orcid.org/0009-0007-3627-0829; https://lattes.cnpq.br/9555782422096974; Sousa, Fabio Jose Pinheiro; Santana Junior, Orivaldo Vieira de; Santana Junior, Orivaldo Vieira de
O Gêmeo Digital (GD) é uma tecnologia com potencial para aplicações baseadas em Indústria 4.0, uma vez que permite o acompanhamento em tempo real dos processos produtivos em execução, prevenção de falhas, melhorias na eficiência de produção e auxílio nas tomadas de decisão. Uma das definições sobre GD envolve um ambiente físico, um ambiente virtual e uma comunicação bidirecional entre eles, a qual permite que as reproduções virtuais estejam em sincronia com os processos concorrentes no sistema físico. Para permitir a simulação promovida pelo GD, é necessário que o sistema físico seja instrumentado com transdutores. Desse modo, o presente estudo considerou a aplicação de um GD em um protótipo de um Sistema Flexível de Manufatura (FMS) composto por uma esteira e um manipulador robótico articulado com 6 graus de liberdade. O objetivo foi empregar o conceito de GD para simular operações de manipulação baseadas em informações adquiridas pelos transdutores responsáveis pelo reconhecimento e a localização de objetos presentes na esteira. As ferramentas CAx Creo Parametric®️ e 3DS MAX®️ auxiliaram o desenvolvimento do modelo geométrico virtual do FMS. A combinação dos softwares Unity 3D®️ e Visual Studio®️, configurado para implementação de rotinas escritas em linguagem de programação C#, permitiram a simulação de movimentação do manipulador. Essa movimentação foi implementada com base em uma cinemática inversa definida pelo método algébrico. O sistema físico do protótipo foi desenvolvido com auxílio do software LabVIEW®️ e foi instrumentado com uma câmera webcam. Foi empregado uma Rede de Área Local (LAN) na comunicação entre os sistemas físico e virtual. As rotinas de movimentação viabilizaram a simulação de operação no modelo virtual baseado em cinemática inversa e em uma equação paramétrica. A comunicação LAN, com Protocolo de Datagrama de Usuário (UDP) associado a um protocolo de internet (IP) versão 4, permitiu a ativação da simulação baseada em dados reais aquisitados pelo transdutor. Além disso, o protocolo de comunicação UDP empregado permitiu uma comunicação entre o software LabVIEW®️ e o software Unity 3D®️ sem perdas de informações. Essa comunicação demandou em média 1 ms para a transferência de informações.
Desenvolvimento de um manipulador robótico de cinemática paralela
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2019-11-07) Barbosa, Jonas Medeiros de Azevedo; Oliveira, Adilson José de; Andrade, Igor Lopes de; Bessa, Wallace Moreira
A utilização de robôs com estrutura cinemática paralela na indústria é comum em situações em que é necessária uma manipulação com alta velocidade de objetos. Isto é possível devido à baixa massa e rigidez quando comparados aos manipuladores que possuem estrutura cinemática serial. Entretanto, os mecanismos de estrutura cinemática paralela apresentam diversos desafios para a construção e movimentação. Nesse contexto, com o objetivo de estudar e propor soluções para esses desafios, foi-se projetado e construído um manipulador robótico de cinemática paralela com cinco barras, controlado por motores de passo com o auxílio do software LabView, capaz de manipular objetos ferromagnéticos de até 30 g. O estudo sobre a cinemática do mecanismo foi realizado e uma solução considerando as singularidades do sistema foi proposta, viabilizando uma área de trabalho de 706 mm².
Desenvolvimento de um núcleo versátil e integrado de ferramentas CAD/CAE para a modelagem e simulação de peças mecânicas
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2012-03-05) Silva, Luzinário Gomes da; Guerra, ângelo Roncalli de Oliveira; ; http://lattes.cnpq.br/7353332474621022; ; http://lattes.cnpq.br/5640498611238269; Oliveira, Adilson José de; ; http://lattes.cnpq.br/3158071963293362; Queiroz, William Fernandes de; ; http://lattes.cnpq.br/9535572564134421; Ferreira, Benedito de Jesus Pinheiro; ; http://lattes.cnpq.br/7709951222407913
Com o crescimento das exigências do controle de qualidade na fabricação de peças mecânicas, surgiu a atividade de inspeção de produtos finais, que vai desde a análise dimensional à composição química. Essa tarefa geralmente é feita através de diversos métodos de ensaios não destrutivos que minimizam a possibilidade de falhas das peças. Os resultados produzidos pelas ferramentas utilizadas nas inspeções não são capazes de definir geometricamente um dano (trincas, microtrincas, defeitos de fabricação etc.) e, portanto, não são adequados para a visualização na tela de um computador. Na verdade, técnicas de visualização de objetos virtuais em 3D são capazes de identificar certos danos que dificilmente seriam detectados por outros métodos tradicionais. Existem alguns softwares comerciais que buscam auxiliar as etapas de um projeto e simulação de peças mecânicas no intuito de prever possíveis danos para tentar mitigar possíveis eventos indesejáveis (rompimento de peças, quebra de equipamentos etc.). Entretanto, o desafio do desenvolvimento de softwares capazes de integrar as várias atividades de projeto, inspeção de produtos, resultados de ensaios não destrutivos e simulações de danos ainda precisa da atenção de pesquisadores. Dessa forma, fez-se um estudo metodológico para a elaboração de um kernel (núcleo computacional) piloto do tipo CAD/CAE de grande versatilidade, capaz de auxiliar programadores no desenvolvimento de softwares que usam Engenharia Reversa como base aplicados às atividades de projeto e simulação de casos em que peças mecânicas são submetidas a solicitações diversas. A criação do kernel deu-se através da aplicação da Computação Gráfica em conjunto com as teorias CAD e CAE e com o auxílio da realidade virtual. Nesta dissertação apresentam-se resultados em que o kernel desenvolvido foi aplicado com sucesso a estudos de casos de peças com geometrias específicas, a saber: próteses mecânicas, trocadores de calor e tubulações de petróleo e gás. Finalmente, são apresentadas as conclusões referentes à experiência da hibridização das teorias CAD e CAE para o desenvolvimento do kernel, de forma a resultar numa ferramenta adaptável às mais diversas aplicações da indústria metal-mecânica
Desenvolvimento de uma bancada experimental para o puncionamento criogênico de chapas finas de aços aplicados a estruturas automotivas
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2022-12-16) Bezerra, Andeilson Bernardo; Oliveira, Adilson José de; Castro, Nicolau Apoena; http://lattes.cnpq.br/3740711945494961; https://orcid.org/0000-0001-6104-569X; http://lattes.cnpq.br/3158071963293362; http://lattes.cnpq.br/0648772517080045; Melo, Anderson Clayton Alves de; Ferreira, Jetson Lemos
A redução da massa dos automóveis, sem um impacto significativo na resistência ou na segurança dos usuários, é um fator decisivo para a viabilidade de veículos menos poluentes e mitigação dos impactos ambientais. A aplicação de chapas mais finas de aços na estrutura automotiva tem sido um dos caminhos para alcançar este objetivo. Neste sentido, os Aços de Ultrabaixo Carbono (ULC) e os Aços Avançados de Alta Resistência (AHSS) têm sido aplicados na manufatura dos componentes estruturais da carroceria. Em especial, os AHSS apresentam uma combinação de matriz ferrítica, de alta ductilidade; e um segundo constituinte de alta dureza (o qual pode ser a martensita, a bainita ou uma combinação de ambas), disperso na matriz. Esta característica microestrutural permite o processamento dos AHSS por conformação e pela estampagem. Contudo, defeitos como trincas, nucleadas a partir das bordas de corte, podem ocorrer devido à presença desse segundo constituinte. Uma alternativa para minimizar a nucleação das trincas é realizar o processo de estampagem em temperaturas criogênicas. A hipótese é que, caso o processo seja realizado em baixas temperaturas, pode ocorrer a alteração do mecanismo de deformação plástica de cisalhamento para deformação por maclação mecânica e clivagem. Portanto, o objetivo desta pesquisa é projetar, construir e testar uma bancada experimental adaptada a uma plaina limadora para avaliar o puncionamento criogênico de dois aços aplicados em estruturas automotivas. Testes foram realizados com o aço ultrabaixo carbono (IF) e com o AHSS (DP780), ambos com espessura de 0,65 mm, os quais mostraram a viabilidade do processo de puncionamento em temperaturas criogênicas. As alterações mais expressivas observadas foram a redução das regiões de deformação plástica e o aumento da zona de fratura na superfície de corte das amostras ensaiadas em temperaturas inferiores a -150 ºC, quando comparadas com aquelas ensaiadas em temperatura ambiente.
Desenvolvimento de uma Célula de Carga Multi-axial - Parte 01: Sistema de Aquisição de Dados
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2020-07-15) Chiozzi, Mauro; Nogueira, Marcelo Borges; Oliveira, Adilson José de; Araujo, Márcio Valério de
O conhecimento dos carregamentos que atuam em uma aeronave e em seus elementos contribui para o alcance de um desempenho dinâmico máximo e uma melhor segurança de vôo, proporcionando o desenvolvimento de um projeto aeronáutico mais arrojado. Visando a validação do comportamento dinâmico, este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma célula de carga multi-axial capaz de mensurar as forças e momentos que atuam em uma aeronave de competição Aerodesign SAE. O projeto está dividido em três etapas - determinação da geometria e desenvolvimento do sistema de aquisição; desenvolvimento e manufatura do elemento elástico; integração do sistema mecânico com o de aquisição -, a fim de desenvolver uma célula de carga capaz de mensurar, a priori, o empuxo estático e dinâmico do grupo moto-propulsor, assim como as componentes de arrasto e sustentação de um perfil aerodinâmico. Neste trabalho será abordada a primeira etapa, que teve como objetivo a análise geométrica de um elemento elástico com padrão circular para ser utilizado no desenvolvimento do elemento elástico da célula de carga. O modelo analítico desenvolvido após essa análise também foi utilizado como base para o cálculo da resposta ao estímulo mecânico. Além disso, foi desenvolvido um sistema de aquisição embarcado capaz de ser utilizado de forma integrada nessa célula de carga, calculando em tempo real a reposta ao estímulo, com base nas deduções realizadas para o modelo analítico. Para o sistema de aquisição, foram desenvolvidos em hardware e software os recursos necessários para sensorear o estímulo, tratar o ruído, e retornar a resposta representativa equivalente ao estímulo mecânico a uma frequência de 10 amostras por segundo.
Desenvolvimento e avaliação de estratégias trocoidais para o fresamento do aço AISI 4340 temperado e revenido
(2018-07-27) Trindade, Kaciê Karoline de Araújo; Oliveira, Adilson José de; ; ; Melo, Anderson Clayton Alves de; ; Alves, Salete Martins; ; Silva, Flávio José da;
A trajetória trocoidal mostra-se eficiente para o desbaste de canais em materiais com baixo índice de usinabilidade, uma vez que reduz o ângulo de contato ferramenta-peça e os esforços sobre as arestas da ferramenta. As trajetórias trocoidais podem apresentar variações no seu modelo com o objetivo de reduzir o tempo de usinagem, contudo, informações sobre a influência dessas variações são escassas na literatura. Esta pesquisa apresenta a influência das variações da estratégia trocoidal e do ângulo de hélice no fresamento do aço AISI 4340 (40 HRC), com ferramentas de metal duro revestido, considerando o tempo direto de usinagem, a força de usinagem e os mecanismos de degaste e/ou avarias. Uma metodologia para criação de estratégias trocoidais (circular e elipsoidal), baseada em equação paramétrica, foi desenvolvida e aplicada aos experimentos. Os resultados mostraram que a trajetória elipsoidal promoveu uma redução de 23% no tempo teórico de usinagem, mas forneceu maiores valores de força de usinagem. Observou-se ainda que o aumento do ângulo de hélice tende a reduzir a força de usinagem, independentemente do tipo de trajetória utilizado. A definição matemática das trajetórias das arestas de corte nos caminhos trocoidais, circular e elipsoidal, permitiu determinar a espessura do cavaco indeformado em função do tempo. Foi possível modificar o modelo da força de usinagem, desenvolvido por Altintas, apresentando similaridade entre os dados experimentais e simulados. Pela comparação dos dados experimentais e simulados, obteve-se que 𝐾𝑡𝑒=110 N/mm, 𝐾𝑟𝑒 = 200 N/mm e 𝐾𝑓𝑒 = 23 N/mm para o material adotado. A vida da ferramenta é uma variável de difícil estimativa para as condições de usinagem adotadas nessa pesquisa em função do tipo de desgaste/avaria nas arestas de corte: trincas de origem térmica e mecânica, desgaste de entalhe e lascamento.
Development of a wireless data transmission system for a uniaxial dynamometer
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2022-01-28) Batista, Lucas Damasceno de Araújo; Oliveira, Adilson José de; Silva, Jefferson Igor Duarte; https://orcid.org/0000-0002-4346-1160; http://lattes.cnpq.br/8083389022423202; https://orcid.org/0000-0001-6104-569X; http://lattes.cnpq.br/3158071963293362; https://orcid.org/0000-0002-0547-3718; http://lattes.cnpq.br/3258161610687398; Andrade, Igor Lopes de; http://lattes.cnpq.br/2468601495106389; Souto, Ulisses Borges; http://lattes.cnpq.br/5255022158676985
Wireless dynamometers are an adequate solution to measure mechanical loads where the use of cables is not practicable. Proprietary solutions are applied in most of the cases found out in the literature on wireless dynamometers. However, these solutions have a high market price, and they are black-box systems, which limit their application in customized conditions. In this context, this study presents the development of a wireless dynamometer based on low market price components and with an open-source technology for real-time monitoring with a suitable sampling rate of 400 Hz (or 32.8 kbps). The proposed dynamometer used a complete Wheatstone bridge configuration and an amplifier circuit with a static gain of 99.8 V / V. Calibration tests and analysis of the performance were carried out according to ISO 376 standard. The proposed wireless dynamometer presented performance indicators of 0.76% for hysteresis, 1.34% for linearity, 4.83 mV / N for sensitivity and 5.22% for repeatability. These results show that the low market price components and open-source technology can be used to build reliable wireless dynamometers able to comply with customized industrial demands.
Efeitos do material de ferramenta e das técnicas de lubrirrefrigeração na vida da ferramenta e na superfície usinada por fresamento do ferro fundido branco alto cromo
(2019-07-26) Oliveira, Marcos Vinicyus de Araújo; Oliveira, Adilson José de; ; ; Santos, Tiago Felipe de Abreu; ; Melo, Anderson Clayton Alves de;
Componentes mecânicos aplicados à trituração de minérios, perfuração de poços de petróleo e aragem de solos precisam ser manufaturados a partir de materiais com elevada resistência ao desgaste, à erosão e à corrosão. Exemplos típicos desses materiais são os aços-ferramenta, os aços-rápidos e o ferro fundido branco com alto teor de cromo (FFBAC). As características microestruturais desses materiais são um desafio para a usinagem, principalmente em relação ao FFBAC. Esse material possui cerca de 28% de carbonetos do tipo M7C3 ancorados em uma matriz perlítica ou martensítica. As principais pesquisas na área de usinagem do FFBAC se concentram na aplicação do PCBN (Nitreto Cúbico de Boro Poliscristalino) em torneamento devido às elevadas taxas de desgaste e temperaturas nas arestas de corte. Contudo, no fresamento, as condições envolvem corte interrompido e um maior acesso da lubrirrefrigeração à região de corte. Neste caso, o uso de ferramentas de metal duro com cobertura associadas a diferentes lubrirrefrigerantes pode ser uma alternativa a viabilização do processo. O objetivo desta pesquisa é avaliar os efeitos do material de ferramenta e das técnicas de lubrirrefrigeração na vida da ferramenta e na superfície usinada por fresamento do FFBAC. Duas classes de insertos de metal duro com cobertura (PVD-TiAlN e PVD-TiAlN2) e uma classe de PCBN associadas a dois métodos de lubrirrefrigeração (emulsão em abundância e nitrogênio líquido – LN2) foram utilizados nos ensaios. Parâmetros tridimensionais auxiliaram na avaliação dos tipos de desgaste, com o objetivo de entender a remoção de material das arestas de corte. Os resultados mostraram a viabilidade da utilização do metal duro com cobertura como material de ferramenta no fresamento do FFBAC e que a aplicação do LN2 proporcionou um incremento à vida da ferramenta de aproximadamente duas vezes quando comparado à emulsão. Com relação à superfície usinada e utilizando as arestas novas, maiores valores de tensões residuais de compressão foram identificados com a utilização de emulsão. Por outro lado, a utilização de LN2 potencializou o cisalhamento durante o corte do material, mantendo as características mecânicas da superfície usinada próximas ao estado original.
Effect of PCBN tool grade and cutting type on hard turning of high-chromium white cast iron
(Springer Science and Business Media LLC, 2015-06-24) Oliveira, Adilson José de; Boing, Denis; Schroeter, Rolf Bertrand
The turning of mechanical construction and bearing steels is widely carried out using PCBN and oxide ceramic tools, even when materials have high hardness (40 to 60 HRC), reached after quenching and tempering heat treatment. However, mechanical components submitted to severe abrasive loads show, in addition to matrix hardness, the presence of a high-volume fraction of hard particles in the microstructure. Turning materials with a high content of hard particles in the microstructure will result in high rates of abrasive wear or damage to the cutting edges of the tool. Information regarding the turning of materials characterized by a high-volume fraction of carbides in the microstructure is limited in literature. The objective of this study was to determine the performance of two grades of PCBN tools (high CBN and low CBN content with an added ceramic phase) in the turning of high-chromium white cast iron applying continuous and interrupte cutting. Evaluations of tools’ life, wear mechanisms at the tool cutting edges, roughness, and microstructure remaining on the turned surface were carried out. The results show that the grades with low CBN content and the addition of a ceramic phase, the tool life was three times longer than that of the grades with high CBN content. The most interesting result obtained concerns the microstructural modifications in a narrow subsurface layer of the turned material. Carbide fragmentation and alignment in the direction of the cutting shear plane were identified, which may potentiate the use of the material
Effects of cryogenic cooling on the surface integrity in hard turning of AISI D6 steel
(Springer, 2018-01-11) Melo, Anderson Clayton Alves de; Leadebal Júnior, Welber Vasconcelos; Oliveira, Adilson José de; Castro, Nicolau Apoena
Methods able to enhance surface integrity of machined components have been one of the emerging areas in manufacturing engineering, and a technique that has been providing satisfying results in the last years is cryogenic machining. Besides promoting surface integrity improvement, it is considered an alternative to the use of conventional cutting fluids, which is in accordance with the latest global trends for sustainable means of production. In this sense, replacing grinding operation, which uses large volumes of conventional cutting fluids, by hard turning assisted by liquid nitrogen, for example, could be a good choice. The aim of this work was to investigate the effects of cryogenic cooling on the surface integrity of quenched and tempered AISI D6 tool steel after turning operation. Dry and cryogenic turning trials with polycrystalline cubic boron nitride tools were performed and the results of surface integrity (surface roughness and topography, microhardness and residual stresses, as well as the modified microstructure of the deformed layer) were analyzed for comparison. The results showed that cryogenic cooling played an important role in modifying the workpiece surface integrity, providing low values of surface roughness (similar to those obtained in grinding operations), as well as higher values of surface microhardness and compressive residual stresses as compared to the dry condition
Effects of different tool material grades and lubri-cooling techniques in milling of high-Cr white cast iron
(Springer, 2020-08-17) Castro, Nicolau Apoena; Oliveira, Adilson José de; Oliveira, Marcos Vinicyus de Araújo; Melo, Anderson Clayton Alves de; Carvalho Filho, Eugênio Teixeira de; Hermenegildo, Tahiana Francisca da Conceição; Boing, Denis
Mechanical components applied in ore crushing, the drilling of oil wells, and soil plowing need to be manufactured from materials with high resistance to abrasive wear, erosion, and corrosion. Typical materials applied under these severe conditions are cold work tool steels, high-speed steels and high-Cr white cast iron (HCWCI), which present a challenge in machining. In milling, the cutting fluid can easily access the cutting region due to interrupted cutting. In this context, coated cemented carbides associated with lubricooling techniques may be an alternative to improve the process feasibility. The aim of this study was to evaluate the effects of different coated cemented carbide grades and lubri-cooling techniques on the tool life and surface residual stress of the milled surface of HCWCI. Therefore, two coated cemented carbide grades associated with two lubri-cooling techniques (flood emulsion and liquid nitrogen—LN2) were applied in milling tests. The results demonstrated the feasibility of using the coated cemented carbide as a tool material in the milling of HCWCI (cutting time longer than 15 min). Furthermore, LN2 increased, by at least a factor of 2, the tool life when compared with flood emulsion. Regarding the milled surface, values above 500 MPa were obtained for the compressive residual stresses with the use of the worn cutting edges and the application of LN2
Estudo experimental de tensões residuais aplicados em superfícies usinadas em elementos de máquinas
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2020-11-30) Carvalho Filho, Eugênio Teixeira de; Medeiros, João Telesforo Nóbrega de; http://lattes.cnpq.br/3206952338356447; http://lattes.cnpq.br/3722989676510159; Oliveira, Adilson José de; https://orcid.org/0000-0001-6104-569X; http://lattes.cnpq.br/3158071963293362; Alves Júnior, Clodomiro; Macedo, Daniel Araújo de; Souza, Juliana Ricardo de; Martinez, Luís Gallego
Esta tese está estruturada a partir de resultados sedimentados e organizados a partir de cinco artigos produzidos durante o período de investigação científica. Inicialmente foi realizado um estudo Interlaboratorial em busca do entendimento das possíveis fontes de incerteza de medição e da criação de uma metodologia para uma quantificação confiável pela Difratometria de raios X a partir de um diagrama de Ishikawa; passando por uma investigação na influência das propriedades mecânicas dos materiais e interferências que cada fase exerce nas medidas das tensões residuais em experimentos com análises de aço AISI 316L e aço duplex (austeno-ferrítico); A tese não se limita apenas no desenvolvimento da metodologia como também em aplicações práticas para avaliação do comportamento tribológico de componentes mecânicos e estudos acerca de melhores condições de usinagem. O estudo das tensões residuais é de grande importância para a avaliação de um componente ou estrutura de engenharia, tendo em vista que todos os processos de manufatura promovem um novo estado dessa resposta elástica. Neste contexto, um dos estudos avaliou a influência das condições de torneamento nas tensões residuais em um aço AISI 1045. Outro artigo avaliou os efeitos de diferentes graus de revestimentos de metal duro e técnicas de resfriamento de lubrificação na vida útil da ferramenta e na tensão residual superficial da superfície fresada de HCWCI.); Finalizando com o estudo comparativo da evolução de desgaste associada às tensões residuais em aços AISI 52100 e Aço Carbono ensaiados em um sistema tipo cam follower. O trabalho frisou a importância de uma metodologia bem definida para a realização das medidas de tensão residual assim como a relevância das medidas em processos em que envolve o desgaste de componentes metálicos. De acordo com o estudo realizado nesta tese os valores das tensões residuais mensurados pela técnica de Difratometria de Raios X são fortemente influenciados por todas as escalas dos parâmetros de medida e está associado com as etapas de processamento do material, sendo sua maior contribuição a última etapa.
Evaluation of wear mechanisms of PVD and CVD coatings deposited on cemented carbide substrates applied to hard turning
(Springer, 2020-02-08) Oliveira, Adilson José de; Boing, Denis; Schroeter, Rolf Bertrand
A good understanding of the coating wear mechanism is essential in relation to tailoring the coating properties to the application, with a focus on increasing the tool performance. When a coated cemented carbide tool is applied in processes with high thermal and mechanical loads (e.g., hard turning process), the cutting tool can suddenly collapse with the deterioration of the coating. The focus of this research was to track the sequence of events that leads to the deterioration of coating materials (PVD TiAlN and MT CVD TiCN/Al2O3/TiN), to reveal the real wear mechanisms associated with coated cemented carbide cutting tools applied to hard turning. The tool wear was evaluated by focus variation microscopy (FVM) and scanning electron microscopy (SEM), before and after cutting edge collapse, during the hard turning of quenched and tempered AISI 4340 steel. The mechanisms associated with the progression of wear on MT CVD coatings involve abrasion, crack nucleation, propagation, the formation of crack networks, delamination, detachment between coating layers, and spalling. The deterioration of PVD coatings is related to the abrasion wear mechanism and the high deformation values at the cutting edge, which leads to the nucleation of cracks in the coating, reducing the bonding strength between the coating and the tool substrate, leading to spalling of the coating. The tool life of the PVD coating was three times longer than that of the CVD coating. The wear mechanisms acting on the coating is the main factor that influences the end of tool life
O impacto da usinagem criogênica na microestrutura de ferro fundido branco alto cromo caracterizada via EBSD
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2023-12-13) Sena, Rizelania Kelly; Castro, Nicolau Apoena; http://lattes.cnpq.br/3740711945494961; http://lattes.cnpq.br/5991544383097069; Alves, Salete Martins; http://lattes.cnpq.br/8550161853747323; Oliveira, Adilson José de; http://lattes.cnpq.br/3158071963293362
O ferro fundido branco com alto cromo (FFBAC) é caracterizado como um material resistente ao desgaste abrasivo e corrosivo e comumente utilizado na indústria de mineração. A microestrutura da matriz de FFBAC, que contém carbetos primários e secundários, determina as propriedades mecânicas da liga. Assim, a combinação da matriz com carbetos do tipo M7C3 confere à liga propriedades como alta dureza, resistência ao desgaste e boa tenacidade. No entanto, é importante notar que o impacto dos carbetos presentes na microestrutura do material com as arestas de uma ferramenta de corte durante o processo de usinagem pode resultar em desgaste da ferramenta e danos à superfície usinada, indicando assim o FFBAC como material de baixa usinabilidade. A pesquisa com o objetivo de aprimorar a usinagem de materiais com baixa usinabilidade, como FFBAC, sugere que a usinagem assistida por nitrogênio líquido pode oferecer diversos benefícios em seu uso. Isso inclui, principalmente, o retardo do desgaste das ferramentas, o aumento do tempo de usinagem e a promoção de uma boa integridade superficial no material usinado. A finalidade deste trabalho é realizar uma avaliação da microestrutura de duas amostras usinadas, utilizando Difração de Elétrons Retroespalhados (EBSD) e comparar os efeitos de diferentes lubrirrefrigerantes namicroestrutura: emulsão e nitrogênio líquido. A análise se concentrou na seção transversal à face usinada, com o objetivo de identificar as principais diferenças microestruturais. Foram examinados fatores como proporção e composição das fases presentes, além da distribuição do encruamento. A comparação foi estabelecida com resultados já existentes em condições de pesquisa similares, visando validar e contextualizar os novos achados. Os resultados mostraram que o processo de recuperação do material após a usinagem foi reduzido na usinagem criogênica, em decorrência da baixa temperatura, com evidências de uma superfície com maior densidade discordâncias. Por outro lado, a usinagem com emulsão promoveu elevado nível de recuperação. Nesse caso, observou-se também menor concentração de carbetos e cromo próximos à superfície usinada, sugerindo que esta condição promoveu maior arranchamento de carbetos, em comparação à usinagem com LN2. Ademais, os resultados obtidos via EBSD corroboram com os resultados de tensões residuais, previamente obtidos em trabalho anterior, em que a usinagem criogênica promoveu maior tensão residual compressiva na superfície da peça.
Improvement of coating adhesion on cemented carbide tools by plasma etching
(Universidade Federal do Rio de Janeiro - UFRJ, 2016-05-04) Alves, Salete Martins; Albano, Wendell; Oliveira, Adilson José de
Surface treatments are one of the main factors to control adhesion between coating and substrate on a cutting tool. Poor coating adhesion on the substrate accelerates the wear progress and decreases tool lifetime due to the pull-out and release of hard abrasive particles between the tool rake or flank face and the workpiece. Mechanical and chemical substrate treatments are used in order to improve the coating adhesion. This study evaluated and compared the chemical and plasma etching effectiveness in the improvement of substrate-coating adhesion, and consequently, tool life of PVD-coated cemented carbide tools. The plasma etching was performed in plasma reactors in which the cations produced collide with the samples and remove from the surface atoms or molecules modifying the topography. In the chemical etching, acid and alkaline solutions were used to remove tool surface material, changing its initial roughness and chemical composition. After these surface treatments, the samples were PVD coated with (Ti,Al)N. To ascertain the effectiveness of the surface treatment, Rockwell B indentation and machining experiments were performed on treated and untreated tools. Tool topographies were analyzed by atomic force microscopy (AFM) and flank wear lands were evaluated by scanning electronic microscopy (SEM). The plasma-treated tool showed better performance in the indentation and turning tests. Therefore, the chemical etching-treated tool showed the highest roughness, but the coating adhesion was poor due to chemical changes on substrate surface. Furthermore, good anchoring is not influenced only by roughness, it also depends on the substrate surface chemical nature
Improvement of coating adhesion on cemented carbide tools by plasma etching
(Springer, 2016-05-04) Oliveira, Adilson José de; Alves, Salete Martins; Albano, Wendell
Surface treatments are one of the main factors to control adhesion between coating and substrate on a cut- ting tool. Poor coating adhesion on the substrate accelerates the wear progress and decreases tool lifetime due to the pull-out and release of hard abrasive particles between the tool rake or flank face and the workpiece. Mechanical and chemical substrate treatments are used in order to improve the coating adhesion. This study evaluated and compared the chemical and plasma etching effectiveness in the improvement of substrate-coating adhesion, and consequently, tool life of PVD-coated cemented carbide tools. The plasma etching was performed in plasma reactors in which the cations produced collide with the samples and remove from the surface atoms or molecules modifying the topography. In the chemical etching, acid and alkaline solutions were used to remove tool surface material, changing its initial roughness and chemical composition. After these surface treatments, the samples were PVD coated with (Ti,Al)N. To ascertain the effectiveness of the surface treatment, Rockwell B indentation and machining experiments were performed on treated and untreated tools. Tool topographies were analyzed by atomic force microscopy (AFM) and flank wear lands were evaluated by scanning electronic microscopy (SEM). The plasma-treated toolshowed better performance in the indentation and turning tests. Therefore, the chemical etching-treated tool showed the highest roughness, but the coating adhesion was poor due to chemical changes on substrate surface. Furthermore, good anchoring is not influenced only by roughness, it also depends on the substrate surface chemical nature

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