Publicação: Modelo térmico para a solução de problemas inversos em transferência
de calor com aplicação em um processo de usinagem por torneamento
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CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA
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Resumo
Durante o torneamento a energia mecânica é convertida em calor através da deformação
plástica do cavaco e do atrito entre a ferramenta e a peça. O calor conduzido na ferramenta
de corte resulta em altas temperaturas na interface de contato. A partir do conhecimento
destas temperaturas é possível avaliar de uma forma mais eficiente o desgaste da
ferramenta. Contudo existe uma dificuldade em se medir a temperatura na interface cavacoferramenta,
mostrando a importância do desenvolvimento de técnicas eficientes para a
análise desta variável. Neste sentido, o Laboratório de Transferência de Calor e Massa e
Dinâmica dos Fluidos (LTCM) da Universidade Federal de Uberlândia (UFU) vêm
desenvolvendo softwares específicos que utilizam técnicas inversas para determinar o fluxo
de calor e a distribuição de temperatura em processos de fabricação, mais especificamente
de usinagem. Dentre os softwares existentes no laboratório destaca-se o INV 3D que resolve
problemas diretos e inversos de transferência de calor. O INV 3D baseia-se na solução
numérica, via volumes finitos, de um modelo térmico tridimensional transiente utilizando
malha irregular e co-localizada. Para a solução do problema inverso o software possui
implementadas as seguintes técnicas inversas: Seção Áurea, Simulated Annealing e Função
Especificada. Para validar o software e algumas melhorias propostas neste trabalho,
realizam-se alguns testes no algoritmo envolvendo a conservação de energia durante a
análise térmica de algumas formas geométricas. Neste sentido, este trabalho tem como
objetivo desenvolver um novo algoritmo computacional para o INV 3D, que permita obter a
solução do problema direto para modelos com formas geométricas complexas. Além disto,
será estudado neste trabalho algumas técnicas inversas existentes, de forma a adotar a mais
conveniente a ser aplicada no problema térmico de usinagem por torneamento de aço de
corte-fácil com ferramenta de aço-rápido. Propõe-se ainda uma análise da influência dos
parâmetros de corte (avanço, profundidade e velocidade de corte) na temperatura
desenvolvida na interface cavaco-ferramenta. Por fim, os resultados obtidos serão
comparados ao método experimental do termopar ferramenta-peça.
Abstract
This work proposes the determination of the high temperatures generated, during machining,
in the region of the tool cutting edge. These temperatures have a controlling influence on the
rate of wear of the cutting tool and on the friction between the chip and the tool. However,
direct measurement of temperature using contact type sensors at the tool-work interface is
difficult to implement due to the movement of the workpiece and the presence of the chip. In
these sense, these work proposes the development of a computational code to solve
numerically the three-dimensional thermal transient equation using finite volumes technique,
irregular and co-located mesh. For the solution of the inverse problem were tested the
following inverse techniques: Golden Section, Simulated Annealing, Function Specification
and Dynamic Observers based on Green´s Function. The software is validated by controlled
experiments and qualitative analyses. Several tests were realized and some improvements
were implemented in the algorithm with the objective of guaranteeing the energy conservation
during the thermal analysis of complex geometries. This work applies the software called
INV3D to determine the thermal fields during machining of free cutting steel with high speed
steel tool. It is also presented the influence of the parameters of cut - feed rate, depth of cut,
cutting speed - in the temperature of the chip-tool interface. It is pointed out that the
temperatures for each cutting condition are compared to the tool-work thermocouple
technique. Finally, an error analysis of the results is presented.
Palavras-chave
Usinagem de aços de livre corte, Problemas inversos, Condução de calor tridimensional, Método termopar ferramenta-peça, Software, Machining of free cutting steel, Inverse problems, Three-dimensional heat conduction, Tool-work thermocouple technique, Usinagem, Calor - Transmissão, Ferramentas
para cortar metais
Citação
SANTOS, Marcelo Ribeiro dos. Thermal model for the solution of inverse problems in heat conduction
with application in machining process. 2008. 153 f. Dissertação (Mestrado em Engenharias) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2008.