Numerical assessment of the minimum distance between holes in 3D components and evaluation of the use of twist drills in the hole-drilling method

Abstract

A indústria do petróleo e gás natural produz e distribui petróleo bruto e seus derivados, sendo parte destes produtos transportados por uma grande rede de oleodutos. Para prevenir falhas catastróficas é necessária a implementação de programas de manutenção preventiva que, em muitos casos, inclui a identificação do estado de tensões residuais para auxiliar na avaliação da resistência à fadiga. O Método do Furo Cego (MFC) é a técnica de medição de tensões residuais mais empregada para realizar medições em campo, e consiste na análise de deslocamentos e deformações resultantes do alívio de tensões promovido pela usinagem de um furo cego em um corpo. Normalmente, múltiplas medições são efetuadas para haver relevância estatística e, para a validação de diferentes técnicas, medições de tensão residual são realizadas diretamente em peças com perfil de tensões residuais conhecido, como o de peças jateadas. Pesquisadores do MFC costumeiramente também empregam dispositivos de carregamento para introduzir um estado de tensões residuais conhecido. Este trabalho busca investigar o uso de brocas helicoidais no MFC e realizar uma análise numérica do dispositivo de carregamento e da distância mínima entre os centros dos furos sob diferentes condições de carregamento. Primeiramente, tal dispositivo foi modelado e simulado em linguagem paramétrica (Mechanical APDL) e, na sequência, o modelo foi validado experimentalmente. Na parte experimental deste trabalho, o emprego de brocas helicoidais, comumente utilizadas na usinagem de furos, foi avaliado no âmbito do MFC. Realizaram-se pré-testes para identificar os danos gerados na subsuperfície da parede dos furos produzidos por brocas helicoidais com ângulo de ponta de s=118º e s=150º. Os seguintes materiais foram analisados: aço ABNT 1020, alumínio AA 6061 e aço inoxidável AISI 304L. Por último, avaliou-se a aplicabilidade de técnicas ópticas na medição de deslocamentos para as geometrias de furo obtidas sob dois estados de tensão: em placas jateadas com perfil de tensão compressivo e também com auxílio do dispositivo de carregamento que induz um carregamento de flexão. Identificou-se que a razão comprimento/largura da placa exerce forte influência sobre as tensões transversais introduzidas na placa. Em seguida, uma análise numérica da distância entre furos foi realizada em corpos de prova delgados e espessos considerando as tensões na borda do furo. Para o caso biaxial, o mais severo, uma influência de menos de 3% foi constatada para furos passantes com 4,5D (4,5 vezes o diâmetro) e 2,2D para corpos espessos. Através das análises metalográficas e medições de dureza foi possível constatar que os corpos de prova de aço inoxidável e alumínio sofreram elevações de dureza na parede do furo, para os parâmetros de usinagem testados. Os parâmetros de usinagem devem ser escolhidos cuidadosamente a fim de evitar a introdução de riscos na superfície de referência devido às condições de formação de cavaco das brocas helicoidais. Nenhum tipo de cavaco favorável foi obtido para o aço inoxidável para as ferramentas testadas. Com base nas medições de tensões residuais, foi possível verificar que essas ferramentas possuem potencial para possível aplicação no MFC. Entretanto, melhorias na microgeometria do raio de gume, além da identificação de parâmetros de usinagem mais adequados e mudanças na relação de incremento no sentido de remover uma quantidade maior de material se fazem necessárias para que a utilização de brocas helicoidais no MFC possa se equiparar à técnica empregada atualmente. Os primeiros incrementos removem uma quantidade pequena de material, o que resulta em pequenos deslocamentos, sendo que o atual sistema óptico de medições não é capaz de capturar deslocamentos de tão baixa magnitude quando associados à presença de riscos na superfície de referência.

Abstract : The oil and gas industry produces and distributes crude oil and its derivatives. An extensive pipe network transports part of these products. In order to prevent catastrophic failures, it is necessary to perform preventive maintenance programs that may include the evaluation of the stresses acting on the component. Knowing the residual stress state is of extreme importance in assessing the fatigue life of a component. The Hole-Drilling Method (HDM) is the most employed technique to perform in-field residual stress measurements. This method consists in analyzing the displacements/strains as a consequence of the stress relief generated by machining a blind hole in the workpiece. Usually, a few measurements are performed in order to infer about their statistic relevance. Residual stress measurements are performed in workpieces under a known stress profile, such as shot peened workpieces, in order to validate different techniques. In addition, HDM researchers commonly employ loading devices to induce a known residual stress state. This work aims to investigate the use of twist drills in the HDM and perform a numerical assessment of the loading device and the minimum distance between hole centers under different loadings conditions. First, such a device was modeled and simulated with a parametric language (Mechanical APDL). The model was validated with experimental measurements. In the experimental part of this work, the usage of twist drills, which are commonly employed to machine holes, was evaluated. Pre-tests were performed to identify the subsurface damage introduced by twist drills with point angle of s=118° and s=150° on the following materials: steel ABNT 1020, aluminum AA 6061 and stainless steel AISI 304L. The applicability of optical techniques to perform the displacement measurements with such a hole geometry produced by twist drills was also analyzed for both a compressive residual stress profile (shot peening) and flexural stresses induced with the aid of a loading device. It was identified that the length/width ratio of the plate strongly influences on induced transversal stresses. Then, a numerical analysis of the distance between hole centers was performed on thin and thick workpieces considering the stresses at the edge of the hole. For the biaxial case, which is the most severe one, an influence of less than 3% is obtained for through holes with 4.5D (4.5 times the diameters) and 2.2D for thick workpieces. The metallographic analysis and hardness measurements showed that considerable hardness increase was identified in the hole wall for the stainless steel and aluminum. Chip forming is a major issue and the parameters need to be carefully chosen in order to avoid scratching the reference surface. No favorable chips were obtained for the stainless steel for both tool geometries tested. The residual stress measurements showed that these tools have the potential to be used in the HDM. However, improvements in the microgeometry of the cutting edge, optimization of cutting parameters as well as changes in the increment ratio in order to remove more material are necessary to narrow the performance gap between the proposed and the current technique. The first increments remove a small quantity of material, which induces small displacements. The current optical system is not capable of capturing such small displacements when associated with scratches on the reference surface.