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Um estudo sobre o uso de técnicas de problemas inversos e o pacote comercial comsol multiphysics® para estimar o fluxo de calor e obter o campo de temperatura na zona de contato em regime transiente em uma ferramenta de corte de torneamento. O estudo utiliza a técnica da função especificada e foi validado por meio de experimentos controlados.
Tipologia: Notas de estudo
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Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI Instituto de Engenharia Mecânica - IEM Rogério Fernandes Brito – UNIFEI – Itabira Solidônio Rodrigues Carvalho – UFU – Uberlândia Sandro Metrevelle Marcondes de Lima e Silva – UNIFEI – Itajubá
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Figura 1. a) Esquema de problema térmico e b) Detalhe da interface de contato entre a ferramenta e a peça de trabalho. a) b)
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3.2 - O problema inverso (^) A técnica inversa adotada neste trabalho é a Função Especificada (Beck et al ., 1985). (^) Esta técnica requer o cálculo do coeficiente de sensibilidade que é feito numericamente. (^) Uma vez que o coeficiente de sensibilidade é conhecido, através dos pontos equivalentes onde os termopares foram colocados nos experimentos, o fluxo de calor é estimado com o uso de um código escrito para o ambiente MATLAB ® . (^) Na técnica da função especificada, um valor determinado dos passos dos tempos futuros “ r ” é utilizado para estimar o fluxo de calor no presente instante.
Figura 3: Esboço do aparato experimental utilizado na validação. (^) A validação da técnica inversa é realizada através de um experimento controlado, no qual o fluxo de calor e a temperatura são medidos na ferramenta de corte de metal duro com dimensões de 0,0127 x 0,0127 x 0,0047 (m); (^) Um transdutor de fluxo de calor, dois termopares previamente calibrados e um aquecedor elétrico tipo kapton foram utilizados nesta ferramenta ( Carbide tool ).
Figura 4: a) Fluxo de calor experimental medido e estimado pela técnica inversa.
(^) O método da Função Especificada para “r” igual a 10 intervalos de tempos futuros foi usado na Fig. 4a. (^) A área em verde na Fig. 4b, de aquecimento, possui dimensões 10,4 (mm) x 10,4 (mm). (^) As propriedades térmicas da ferramenta de corte simuladas numericamente foram: k = 43,1 (W m-1^ K-1), cp = 332,94 (J kg-1^ K-1) e = 14.900 (kg m-3). Figura 4: b) Malha computacional utilizada na validação com 15.548 elementos.
Figura 6: Aparato experimental utilizado para a aquisição dos sinais de temperatura na ferramenta durante a usinagem. (^) O teste de usinagem foi realizado em um torno IMOR MAXI-II-520-6CV convencional sem refrigeração. (^) O material utilizado no experimento foi um cilindro de ferro fundido cinzento FC 20 EB 126 ABNT. (^) O inserto e o porta-ferramentas usados foram: ferramenta de metal duro ISO SNUN12040408 K20/Brassinter e ISO CSBNR 20K12/SANDVIK COROMAT, respectivamente.
Figura 7: a) Posição dos termopares soldados no conjunto.
(^) As temperaturas foram medidas em locais acessíveis do conjunto, conforme a localização dos termopares de T1 a T8 mostrados na Fig. 7a. Figura 7: b) Origem do sistema.
5 - MONTAGEM EXPERIMENTAL EM UM PROCESSO REAL DE USINAGEM
a) b) Figura 9: a) Fluxo de calor estimado e b) Comparação entre as temperaturas estimadas e experimentais para os termopares T 3 , T 6 e T 7.
Figura 11. Comparação entre as temperaturas estimadas para as posições T 3 , T 6 e T 7 para os Testes 1 e 2.
Parâmetros de corte Teste 1 Teste 2 Avanço 0, 138 (mm/rev) 0, 138 (mm/rev) Velocidade de Corte 135, 47 (m/min) 135, 47 (m/min) Profundidade de Corte (^) 5, 0 (mm) 1, 0 (mm) Diâmetro final 72 ,0 (mm) 76 ,0 (mm)
a) t = 5 (s) b) t = 10 (s) c) t = 50 (s) d) t = 80 (s) Figura 12: Campos de temperaturas no conjunto ferramenta de corte, calço e porta-ferramenta.
