Modelagem e simulação de esforços no mandrilamento de ferro fundido GG25 com base em ensaios de torneamento

Abstract

A indústria de fabricação está em contínua evolução e, através de pesquisas, desenvolve novas tecnologias constantemente. No intuito de diminuir os gastos com matéria-prima, simulações são aplicadas no projeto de peças para validar o seu dimensionamento geométrico. Blocos de motores, tambores de freio e carcaças de compressores, por exemplo, podem sofrer downsizing, tornando-se mais leves e ainda assim manterem os mesmo níveis de qualidade requeridos ao funcionamento. Nesse contexto, a presente pesquisa tem como objetivo desenvolver um modelo de forças adequado para o mandrilamento externo de ferro fundido cinzento GG25. Com a análise das forças pode-se redimensionar as peças, otimizar a quantidade de material empregado e possibilitar uma redução de massa dos componentes. Como objetivos secundários têm-se o estudo do modelo e a possível aplicação do mesmo em futuras simulações numéricas pela empresa parceira. O modelo é baseado na Equação de Kienzle, sendo que os dados são obtidos através de ensaios de torneamento, processo similar ao mandrilamento e no qual as dificuldades de ensaio são significativamente menores. Os ensaios ocorreram em um torno CNC Heyligenstaedt, modelo Heynumat 10U, nos quais foram variados o avanço (f = 0,075, 0,15 e 0,225 mm) e a profundidade de corte (ap = 0,5, 1 e 1,5 mm), sendo que as componentes da força de usinagem foram monitoradas através de uma plataforma piezelétrica da empresa Kistler Instruments. Foram obtidas equações individuais aplicáveis a cada profundidade de corte e também equações unificadas para abarcar toda a faixa de profundidade estudada. Também foram analisados dois formatos de insertos: circular e triangular. Os resultados foram satisfatórios e as diferenças entre os dados simulados e ensaiados mantiveram-se dentro do esperado. Para o inserto triangular a unificação foi satisfatória para a componente de força de corte, com erro máximo de 7%. Já para o inserto circular a unificação dos modelos para a faixa de profundidade de corte escolhida não foi satisfatória, com erros de até 30%. Foram calculados também fatores de correção para desgaste da ferramenta, para outras velocidades de corte e para a presença de meio lubrirrefrigerante.

Abstract: The manufacturing industry is in constant evolution, it continuously develops new technologies using research. In order to reduce raw material costs, simulations are applied in design of parts to validate their geometric dimensioning. Engine blocks, brakes and compressor loads, for example, can be downsized, become lighter and still maintain the same quality levels required for operation. In this context, the present research aims to develop a model of forces suitable for the external boring of gray cast iron GG25. With the analysis of the forces it is possible to resize pieces, optimize the amount of material used and enable a reduction in the mass of the components. Secondary objectives remain at study the model and its application in numerical simulations by the partner company. The model is based on the Kienzle Equation, and data are obtained through turning tests, a process similar to boring and in which the testing difficulties are significantly lower. Tests were carried out on a Heyligenstaedt CNC lathe, model Heynumat 10U, in which the feed rate (f = 0.075, 0.15 and 0.225 mm) and the depth of cut (ap = 0.5, 1 and 1.5 mm) were varied. The components of the machining force were monitored through a piezoelectric platform from the company Kistler Instruments. Individual equations applicable to each depth of cut and unified equations to cover the entire depth range studied were obtained. Two insert formats were also analyzed: circular and triangular. The results were satisfactory and the differences between the simulated and tested data remained within the expected. For triangular insert, the unification was satisfactory for the cutting force component, with a maximum error of 7%. Thought circular insert, the unification of the models for the chosen depth of cut range was not satisfactory, with errors up to 30%. Correction factors were also calculated for tool wear, for other cutting speeds and for the presence of coolant medium.