Simulação numérica do comportamento dinâmico de peças delgadas no processo de fresamento

Abstract

Na engenharia naval é comum a aplicação de peças delgadas, como pás de hélices e aletas de trocadores de calor. Muitas vezes, essas peças passam por um processo de usinagem, seja este para desbaste ou acabamento superficial. Por se tratarem de componentes relativamente flexíveis, a usinagem destes componentes é um processo delicado. Em aplicações práticas relacionadas à usinagem de uma peça, a frequência de ressonância é sempre um parâmetro importante e deve ser considerado. É inerente a todo o processo de usinagem a remoção de material, portanto variações na massa da peça existem. Além disso, como se altera a geometria das peças, variações na rigidez também estão presentes. Estes dois parâmetros determinam a frequência natural de um objeto e aliados ao fator de amortecimento, determinam também a frequência de ressonância. Outro fator que influencia na rigidez do conjunto é o sistema de fixação. Deve-se evitar excitar estes componentes em frequências próximas as de ressonância. A fim de minimizar as vibrações da peça no processo de usinagem e consequentemente melhorar o acabamento superficial, o presente trabalho busca, através da simulação numérica pelo método dos elementos finitos, prever o comportamento dinâmico de determinado sistema, analisando suas vibrações. As simulações numéricas foram efetuadas com códigos próprios, tanto para o domínio do tempo quanto para o domínio da frequência, utilizando-se de elemento de viga. Correlacionando-se amplitudes de vibrações com rugosidade, foi possível estimar o acabamento superficial da peça usinada.

Thin pieces are widely used during the process of marine construction and engineering, like propeller blades and fin heat exchangers. Several times, those pieces will be machined, using roughing or finishing operation. Those pieces have a low stiffness, resulting on a very sensitive and fragile process. During the machining of a component, the resonance frequency is always an important parameter, and it should be considered. In every machining process there is always material removal, consequently, the mass of the component will change along the process; also, as the geometry is changing too, the stiffness of the workpiece will not be constant as well. The fixturing system will also change the stiffness of the system. The natural frequency of a component is a function of both mass and stiffness, so this frequency will change too, the resonance frequency will also switch, once it is a function of those both parameters and the damping ratio. The condition where the excitation frequency is close to the resonance frequency must be avoided, because of the workpiece will oscillate with high vibration amplitudes, those may be catastrophic, they can cause a bad surface finish, or they can even cause failures in both machine and tool. The main goal is to predict the dynamic behavior of the workpiece during the milling process. As an important tool, the numeric simulation will be applied. All simulations used were developed by the authors, and both time and frequency domain are applied, using beam elements. The vibration amplitudes can be directly correlated to the roughness and surface finish quality, making it possible to predict the finished workpiece surface quality.