Fresamento tangencial utilizando eixo árvore de material compósito híbrido: uma avaliação experimental do comportamento dinâmico
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Data
2021-07-02
Autores
Medeiros, Everton Coelho de [UNESP]
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Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Resumo
Elementos rotativos, tais como eixos em máquinas rotativas, vêm sendo projetados com o objetivo de aumentar a performance e baixar o custo. O uso de materiais diferentes dos metálicos tem encontrado cada vez mais espaço em aplicações de engenharia. O material compósito vem sendo utilizado em segmentos automobilísticos e aeroespaciais, devido à capacidade de se ter altos níveis de resistência mecânica aliado a baixa densidade. Em máquinas operatrizes, essa mudança e pesquisa por aplicação de diferentes materiais em eixos árvores vêm sendo pouco explorada, principalmente na usinagem do tipo tangencial. A usinagem tangencial é utilizada para produção de peças como engrenagens, cremalheiras, guias e encaixes. Os eixos árvore de material compósitos estão sujeitos a mecanismos de falha por roçamento, que são compostos pelo roçamento contínuo (atrito) e roçamento intermitente (impacto). Esta pesquisa tem como objetivo apresentar uma avaliação experimental de um eixo árvore aplicado a usinagem do tipo tangencial, feito de material de fibra de carbono e resina epóxi nas situações de operação em que há o roçamento do tipo intermitente, ou seja, durante o período de usinagem. Dentro dessa avaliação é feito uma caracterização do eixo, observando sua construção híbrida feita de fibras unidirecionais, ordenados ortogonalmente em empilhamento de camadas, e de uma camada mais externa feita de um tecido do tipo plano (plain weave). Além disso, foram obtidos os valores das propriedades mecânicas do eixo, tais como o seu módulo de elasticidade longitudinal (54,33 GPa), e também os seus valores de frequência natural (493,77 Hz) e fator de amortecimento (14,58%). Durante a operação de usinagem por fresamento tangencial os parâmetros de corte foram controlados em diferentes aplicações de materiais, variando sua magnitude de roçamento de acordo com as condições operacionais de usinagem. Pode-se perceber nesse ensaio que o eixo de material compósito apresentou gráficos de órbitas com formas diferentes de um eixo metálico, em suas apresentações espectrais algumas frequências percebidas (1X e 2X) foram atenuadas no eixo de fibra de carbono e alguns outros valores sem relação harmônica também foram proeminentes, podendo ter relação com a excitação de seus modos de vibração lateral e torcional. Ao fim, uma avaliação da rugosidade resultante após processo de usinagem também foi feita e por meio da análise de variância constatou-se diminuição dos valores de Rz e Rt quando há aplicação do eixo compósito em relação ao metálico. Esse estudo experimental contribuiu para uma otimização do processo de usinagem tangencial utilizando de eixos feitos de materiais compósitos.
Rotating elements, such as shafts on rotating machines, have been propose with the objective of increasing performance and low cost. The application of different materials has been used in different fields in engineering. The composite material has been used in automotive, aerospace and oil & gas segments, due to its high levels of mechanical resistance combined with low density. In machine tools, modification and research by application of different materials in spindle axes are little explored, mainly in tangential milling. Tangential milling is used to produce parts such as gears, racks, guides and fittings. The rotors are subject to rubbing failure mechanisms, which consist of continuous rubbing by friction and intermittent rubbing by impact. This work aims to present an experimental evaluation of a spindle applied to the tangential milling, made of carbon fiber and epoxy resin considering operation situations where there is intermittent rubbing due to cutting process. Within this evaluation, a characterization of the axis is made, observing its hybrid construction made of unidirectional fibers, ordered orthogonally in stacking layers, and of an outer layer made of a braided type fabric (plain weave). In addition, the values of the mechanical properties of the shaft, such as its longitudinal elasticity module (54,33 GPa), as well as its values of natural frequency (493,77 Hz) and damping factor (14,58%), were collected. During the machining operation by tangential milling, the cutting parameters were controlled in different material applications, varying their rubbing magnitude. It can be seen in this essay that the composite rotor presented orbit graphs with different shapes than a metallic rotor. Its spectral presentations some perceived frequencies (1X and 2X) were attenuated in the carbon fiber axis and some other unrelated values harmonics were also proeminent, and may be related to the excitation of their lateral and torsional vibration modes. At the end, an evaluation of the resulting roughness surface after the machining process was also carried out and, through the analysis of variance, a decrease in the values of Rz and Rt was verified when the composite rotor is applied in subtitution to the metallic rotor. This experimental study contributed to an optimization of the tangential machining process using rotor made of composite materials.
Rotating elements, such as shafts on rotating machines, have been propose with the objective of increasing performance and low cost. The application of different materials has been used in different fields in engineering. The composite material has been used in automotive, aerospace and oil & gas segments, due to its high levels of mechanical resistance combined with low density. In machine tools, modification and research by application of different materials in spindle axes are little explored, mainly in tangential milling. Tangential milling is used to produce parts such as gears, racks, guides and fittings. The rotors are subject to rubbing failure mechanisms, which consist of continuous rubbing by friction and intermittent rubbing by impact. This work aims to present an experimental evaluation of a spindle applied to the tangential milling, made of carbon fiber and epoxy resin considering operation situations where there is intermittent rubbing due to cutting process. Within this evaluation, a characterization of the axis is made, observing its hybrid construction made of unidirectional fibers, ordered orthogonally in stacking layers, and of an outer layer made of a braided type fabric (plain weave). In addition, the values of the mechanical properties of the shaft, such as its longitudinal elasticity module (54,33 GPa), as well as its values of natural frequency (493,77 Hz) and damping factor (14,58%), were collected. During the machining operation by tangential milling, the cutting parameters were controlled in different material applications, varying their rubbing magnitude. It can be seen in this essay that the composite rotor presented orbit graphs with different shapes than a metallic rotor. Its spectral presentations some perceived frequencies (1X and 2X) were attenuated in the carbon fiber axis and some other unrelated values harmonics were also proeminent, and may be related to the excitation of their lateral and torsional vibration modes. At the end, an evaluation of the resulting roughness surface after the machining process was also carried out and, through the analysis of variance, a decrease in the values of Rz and Rt was verified when the composite rotor is applied in subtitution to the metallic rotor. This experimental study contributed to an optimization of the tangential machining process using rotor made of composite materials.
Descrição
Palavras-chave
Materiais compostos, Resinas epoxi, Usinagem, Rotores – Dinâmica, Composite Rotor, Tangential Milling, Rotor, Experimental Analysis