Cutting forces and wear analysis of Si3N4 diamond coated tools in high speed machining

Si3N4 tools were coated with a thin diamond film using a Hot-Filament Chemical Vapour Deposition (HFCVD) reactor, in order to machining a grey cast iron. Wear behaviour of these tools in high speed machining was the main subject of this work. Turning tests were performed with a combination of cutting speeds of 500, 700 and 900 m min−1, and feed rates of 0.1, 0.25 and 0.4 mm rot−1, remaining constant the depth of cut of 1 mm. In order to evaluate the tool behaviour during the turning tests, cutting forces were analyzed being verified a significant increase with feed rate. Diamond film removal occurred for the most severe set of cutting parameters. It was also observed the adhesion of iron and manganese from the workpiece to the tool. Tests were performed on a CNC lathe provided with a 3-axis dynamometer. Results were collected and registered by homemade software. Tool wear analysis was achieved by a Scanning Electron Microscope (SEM) provided with an X-ray Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) system. Surface analysis was performed by a profilometer.

Optimal location of the workpiece in a PKM-based machining robotic cell

Most machining tasks require high accuracy and are carried out by dedicated machine-tools. On the other hand, traditional robots are flexible and easy to program, but they are rather inaccurate for certain tasks. Parallel kinematic robots could combine the accuracy and flexibility that are usually needed in machining operations. Achieving this goal requires proper design of the parallel robot. In this chapter, a multi-objective particle swarm optimization algorithm is used to optimize the structure of a parallel robot according to specific criteria. Afterwards, for a chosen optimal structure, the best location of the workpiece with respect to the robot, in a machining robotic cell, is analyzed based on the power consumed by the manipulator during the machining process.

Damage evaluation of drilled carbon/epoxy laminates based on area assessment methods

The characteristics of carbon fibre reinforced laminates had widened their use, from aerospace to domestic appliances. A common characteristic is the need of drilling for assembly purposes. It is known that a drilling process that reduces the drill thrust force can decrease the risk of delamination. In this work, delamination assessment methods based on radiographic data are compared and correlated with mechanical test results (bearing test).

Drilling of fibre reinforced plastic laminates

The use of fibre reinforced plastics – FRP’s – in structures is under a considerable increase. Advantages of their use are related with their low weight, high strength and stiffness. The improvement of the dynamic characteristics has been profitable for aeronautics, automobile, railway, naval and sporting goods industries. Drilling is a widely used machining technique as it is needed to assemble parts in a structure. This is a unique machining process, characterized by the existence of two different mechanisms: extrusion by the drill chisel edge and cutting by the rotating cutting lips. Drilling raises particular problems that can reduce mechanical and fatigue strength of the parts. In this work, quasi-isotropic hybrid laminates with 25% of carbon fibre reinforced plies and 4 mm thickness are produced, tested and drilled. Three different drill geometries are compared. Results considered are the interlaminar fracture toughness in Mode I – GIc –, thrust force during drilling and delamination extent after drilling. A bearing test is performed to evaluate tool influence on the load carrying capacity of the plate. Results consider the influence of drill geometry on delamination. A correlation linking plate damage to bearing test results is presented.

Numerical prediction of delamination onset in carbon/epoxy composites drilling

Despite the fact that their physical properties make them an attractive family of materials, composites machining can cause several damage modes such as delamination, fibre pull-out, thermal degradation, and others. Minimization of axial thrust force during drilling reduces the probability of delamination onset, as it has been demonstrated by analytical models based on linear elastic fracture mechanics (LEFM). A finite element model considering solid elements of the ABAQUS® software library and interface elements including a cohesive damage model was developed in order to simulate thrust forces and delamination onset during drilling. Thrust force results for delamination onset are compared with existing analytical models.

Damage assessment of drilled hybrid composite laminates

Hole drilling operations are common in fibre reinforced plastics - FRP’s - to facilitate fastener assembly to other parts in more complex structures. As these materials are non-homogeneous, drilling causes some damages, like delamination, for example. Delamination can be reduced by a careful selection of drilling parameters, drill material and drill bit geometry. In this work two types of laminates are drilled using different machining parameters and comparing drill geometries. Results show the importance of a cautious selection of these variables when composites’ drilling is involved.

Drilling process of composite laminates – a tool based analysis

“Drilling of polymeric matrix composites structures”

Utilização de algoritmos de processamento e análise de imagem na avaliação do dano em placas compósitas

PTDC/EME–TME/66207/2006 e POSC/EEA-SRI/55386/2004

Tool geometry evaluation for carbon reinforced composite laminates

The use of composite laminates in complex structures has increased significantly. However, there are still some issues when considering their use, mainly related with machining, leading to some difficulties and lack of acceptance. In this work, a methodology to evaluate drill geometry and feed rate based on thrust force and delamination extension is presented.

Evaluation of tools and cutting conditions on carbon fibre reinforced laminates

The distinctive characteristics of carbon fibre reinforced plastics, like low weight or high specific strength, had broadened their use to new fields. Due to the need of assembly to structures, machining operations like drilling are frequent. In result of composites inhomogeneity, this operation can lead to different damages that reduce mechanical strength of the parts in the connection area. From these damages, delamination is the most severe. A proper choice of tool and cutting parameters can reduce delamination substantially. In this work the results obtained with five different tool geometries are compared. Conclusions show that the choice of an adequate drill can reduce thrust forces, thus delamination damage.

Efeito de alterações geométricas na resistência de juntas de sobreposição

A utilização de juntas coladas em aplicações industriais tem vindo a aumentar nos últimos anos, em detrimento dos métodos tradicionais de ligação tais como a soldadura, brasagem, ligações aparafusadas e rebitadas. As juntas de sobreposição simples são o tipo de juntas mais frequentemente utilizadas em aplicações industriais, porque são as mais simples de fabricar. No entanto, a aplicação descentrada da carga neste tipo de junta provoca efeitos de flexão que originam o aparecimento de tensões normais na direção da espessura do adesivo (arrancamento), reduzindo assim a resistência da junta colada. De uma maneira geral, existem dois tipos de métodos para reduzir as concentrações de tensões. O primeiro é utilizar alterações no próprio material, otimizando as propriedades do adesivo e do substrato, enquanto o segundo método envolve alterar a geometria da junta, como por exemplo utilizando filetes de adesivo, chanfros nas extremidades dos substratos, aplicar uma geometria ondulada ou dobrar os substratos na zona de sobreposição, ou ainda utilizar rasgos nos substratos ao longo da sobreposição. Neste trabalho é realizado um estudo experimental e numérico por Elementos Finitos de duas alterações efetuadas à geometria de juntas de sobreposição simples, de modo a aumentar a sua resistência comparativamente às juntas sem alteração geométrica. A primeira condição efetuada foi a utilização de rasgos nas extremidades do comprimento de sobreposição e a segunda foi a utilização de rasgos a meio do comprimento de sobreposição. No final do estudo experimental, verificou-se que a resistência da ligação foi significativamente melhorada com algumas das configurações testadas para cada alteração, e foi possível estabelecer em ambos os casos a configuração ótima. Numa fase posterior, procedeu-se à simulação numérica, que incluiu uma análise de tensões e previsão do comportamento das juntas através de modelos de dano coesivo. A análise permitiu obter os modos de rotura, as curvas força-deslocamento e a resistência das juntas. Obteve-se uma concordância bastante boa com os resultados experimentais, o que mostrou a adequabilidade do método de previsão proposto para estimar o comportamento das juntas.

Drilling damage in composite material

The characteristics of carbon fibre reinforced laminates have widened their use from aerospace to domestic appliances, and new possibilities for their usage emerge almost daily. In many of the possible applications, the laminates need to be drilled for assembly purposes. It is known that a drilling process that reduces the drill thrust force can decrease the risk of delamination. In this work, damage assessment methods based on data extracted from radiographic images are compared and correlated with mechanical test results—bearing test and delamination onset test—and analytical models. The results demonstrate the importance of an adequate selection of drilling tools and machining parameters to extend the life cycle of these laminates as a consequence of enhanced reliability.

Estudo comparativo do comportamento de diferentes ferramentas na fresagem de aços duplex

A maquinagem por arranque de apara é, na actualidade, um dos processos de fabrico mais utilizados e de maior relevo no panorama da indústria metalomecânica mundial. Para além da forte evolução que se tem registado ao longo das últimas décadas nos equipamentos ligados à maquinagem, também as ferramentas têm visto o seu desempenho fortemente melhorado, graças essencialmente ao desenvolvimento de revestimentos finos, mono e multicamada, que têm proporcionado o conjunto de propriedades mais indicado a cada situação. Por outro lado, os aços inoxidáveis duplex têm registado um forte incremento na sua aplicação, a qual requer, em muitos casos, o uso da maquinagem para a obtenção das formas necessárias. Tendo em consideração estes dois factores, o presente trabalho visa, essencialmente avaliar qual a ferramenta mais adequada para trabalhar este tipo de ligas, em função do tipo de maquinagem e condições de corte. Para tal, foram utilizadas diferentes ferramentas dotadas da mesma geometria, e seleccionados parâmetros que constituíssem um denominador comum entre os valores indicados pelos diferentes fabricantes. Foram consideradas apenas condições de maquinagem com utilização de fluido de corte e realizados percursos de corte previamente determinados na fresagem, utilizando fresas de topo em condições de maquinagem de alta velocidade. A análise comparativa recaiu sobre a qualidade da superfície gerada por maquinagem, avaliada através de perfilometria, e o desgaste registado por cada uma das ferramentas utilizadas.

Cálculo do OEE na secção de maquinação da Tridec Lda.

O sucesso das organizações só é possível através da satisfação/superação das expectativas do mercado. Desta forma, a base para o sucesso reside na eficiência com que cada organização consegue cumprir a sua missão, só possível através de comunicações e de processos produtivos/serviços que acrescentem valor ao bem que disponibilizam. Cientes destes princípios, as organizações têm vindo a adoptar metodologias com o intuito de eliminar os desperdícios existentes nos seus negócios. Este trabalho resulta da necessidade de uma organização industrial de base tecnológica, a TRIDEC, identificar se no seu negócio existem desperdícios com origem na relação entre as suas duas unidades industriais, localizadas na Holanda e em Portugal. O trabalho foi possível pela parceria entre estudantes da Avans University, da Holanda, e do ISEP (o autor deste trabalho), e foi realizado em duas fases. Numa primeira fase foi liderado pelos estudantes Holandeses e consistiu na análise aos fluxos de comunicação entre as duas unidades. Estes resultados estão presentes no relatório dos colegas Holandeses, e destacam a necessidade haver uma maior relação de compromisso entre ambas as organizações. A segunda fase do trabalho foi centrada na unidade de Portugal, tendo-se efectuado uma análise ao seu desempenho com o enfoque a verificar-se na Produção, que culminou com o cálculo do OEE à Secção de Maquinação.

Estudo da delaminação em compósitos

As excelentes propriedades mecânicas, associadas ao seu baixo peso, fazem com que os materiais compósitos sejam atualmente dos mais interessantes da nossa sociedade tecnológica. A crescente utilização destes materiais e a excelência dos resultados daí provenientes faz com que estes materiais sejam utilizados em estruturas complexas de responsabilidade, pelo que a sua maquinagem se torna necessária de forma a possibilitar a ligação entre peças. O processo de furação é o mais frequente. O processo de maquinagem de compósitos terá como base os métodos convencionais utilizados nos materiais metálicos. O processo deverá, no entanto, ser convenientemente adaptado, quer a nível de parâmetros, quer a nível de ferramentas a utilizar. As características dos materiais compósitos são bastante particulares pelo que, quando são sujeitos a maquinagem poderão apresentar defeitos tais como delaminação, fissuras intralaminares, arrancamento de fibras ou dano por sobreaquecimento. Para a detecção destes danos, por vezes a inspeção visual não é suficiente, sendo necessário recorrer a processos específicos de análise de danos. Existem já, alguns estudos, cujo âmbito foi a obtenção de furos de qualidade em compósitos, com minimização do dano, não se podendo comparar ainda com a informação existente, no que se refere à maquinagem de materiais metálicos ou ligas metálicas. Desta forma, existe ainda um longo caminho a percorrer, de forma a que o grau de confiança na utilização destes materiais se aproxime aos materiais metálicos. Este trabalho experimental desenvolvido nesta tese assentou essencialmente na furação de placas laminadas e posterior análise dos danos provocados por esta operação. Foi dada especial atenção à medição da delaminação causada pela furação e à resistência mecânica do material após ser maquinado. Os materiais utilizados, para desenvolver este trabalho experimental, foram placas compósitas de carbono/epóxido com duas orientações de fibras diferentes: unidireccionais e em “cross-ply”. Não se conseguiu muita informação, junto do fornecedor, das suas características pelo que se levaram a cabo ensaios que permitiram determinar o seu módulo de elasticidade. Relativamente á sua resistência â tração, como já foi referido, a grande resistência oferecida pelo material, associada às limitações da máquina de ensaios não permitiu chegar a valores conclusivos. Foram usadas três geometrias de ferramenta diferentes: helicoidal, Brad e Step. Os materiais utilizados nas ferramentas, foram o aço rápido (HSS) e o carboneto de tungsténio para as brocas helicoidais de 118º de ângulo de ponta e apenas o carboneto de tungsténio para as brocas Brad e Step. As ferramentas em diamante não foram consideradas neste trabalho, pois, embora sejam reconhecidas as suas boas características para a maquinagem de compósitos, o seu elevado custo não justifica a sua escolha, pelo menos num trabalho académico, como é o caso. As vantagens e desvantagens de cada geometria ou material utilizado foram avaliadas, tanto no que diz respeito à delaminação como á resistência mecânica dos provetes ensaiados. Para a determinação dos valores de delaminação, foi usada a técnica de Raio X. Algum conhecimento já existente relativamente a este processo permitiu definir alguns parâmetros (por exemplo: tempo de exposição das placas ao liquido contrastante), que tornaram acessível o procedimento de obtenção de imagens das placas furadas. Importando estas imagens para um software de desenho (no caso – AutoCad), foi possível medir as áreas delaminadas e chegar a valores para o fator de delaminação de cada furo efetuado. Terminado este processo, todas as placas foram sujeitas a ensaios de esmagamento, de forma a avaliar a forma como os parâmetros de maquinagem afectaram a resistência mecânica do material. De forma resumida, são objetivos deste trabalho: - Caracterizar as condições de corte em materiais compósitos, mais especificamente em fibras de carbono reforçado com matriz epóxida (PRFC); - Caracterização dos danos típicos provocados pela furação destes materiais; - Desenvolvimento de análise não destrutiva (RX) para avaliação dos danos provocados pela furação; - Conhecer modelos existentes com base na mecânica da fratura linear elástica (LEFM); - Definição de conjunto de parâmetros ideais de maquinagem com o fim de minimizar os danos resultantes da mesma, tendo em conta os resultados provenientes dos ensaios de força, da análise não destrutiva e da comparação com modelos de danos existentes e conhecidos.