Estimativa de Fluxo de Calor e Temperatura em Ferramentas de Corte com Problemas Inversos, Notas de estudo de Engenharia Mecânica

Baixe Estimativa de Fluxo de Calor e Temperatura em Ferramentas de Corte com Problemas Inversos e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Mecânica, somente na Docsity! O USO DO COMSOL E DE TÉCNICAS DE PROBLEMAS INVERSOS PARA ESTIMAR O FLUXO DE CALOR EM UMA FERRAMENTA DE CORTE Rogério Fernandes Brito, rogbrito@unifei.edu.br1 Solidônio Rodrigues de Carvalho, srcarvalho@mecanica.ufu.br2 Sandro Metrevelle Marcondes de Lima e Silva, metrevel@unifei.edu.br3 1Universidade Federal de Itajubá - UNIFEI, Itabira, Minas Gerais, Brasil, 2Universidade Federal de Uberlândia - UFU, Uberlândia, Minas Gerais, Brasil, 3Universidade Federal de Itajubá - UNIFEI, Itajubá, Minas Gerais, Brasil. Resumo: Este trabalho propõe a utilização de técnicas de problemas inversos em conexão com o pacote COMSOL Multiphysics 4.4® para estimar o fluxo de calor e o campo da temperatura em uma ferramenta de corte de torneamento em regime transiente. O principal objetivo do presente trabalho é apresentar as melhorias realizadas em relação a trabalhos anteriores dos autores para desenvolver a geometria complexa de um processo de usinagem. A função especificada, que é uma técnica problema inverso, foi implementada em um código para o ambiente em MATLAB® para calcular o fluxo de calor aplicado sobre a ferramenta, a partir dos registos de temperatura experimentais. Uma vez que o fluxo de calor é conhecido, o pacote é novamente utilizado para obter o campo de temperatura na ferramenta de corte. A validação da metodologia é realizada através da comparação dos resultados numéricos e experimentais da temperatura. Palavras-chave: COMSOL, problema inverso, processo de usinagem, transferência de calor. 1. INTRODUÇÃO Vários processos de engenharia têm o seu desempenho e qualidade afetada por elevados valores de temperatura. Um exemplo típico é o processo de usinagem em que as temperaturas da ferramenta de corte podem ser maiores do que 900 °C (Trent e Wright, 2000). As temperaturas elevadas alteraram a microestrutura e as propriedades físicas da ferramenta durante a usinagem, reduzindo assim a sua capacidade de resistir à tensão mecânica (Gostimirovic et al., 2011). A consequência direta dessas alterações é a redução de sua vida útil e desempenho. Isto leva a altos custos de operação e redução da qualidade do produto final. O conhecimento correto dos valores de temperatura e fluxo de calor aplicada neste tipo de processo resulta em vantagens como o desenvolvimento de técnicas de resfriamento mais eficientes, bem como melhores especificações dos parâmetros de corte em processos de usinagem. Essas temperaturas tem uma influência de controle sobre a taxa de desgaste da ferramenta de corte, bem como sobre o atrito entre a área de contato da ferramenta de corte e o cavaco. No entanto, a medição direta da temperatura num processo de usinagem é difícil de se realizar, devido ao movimento da peça, bem como a presença de cavaco. Assim, a utilização de técnicas de problemas inversos de condução de calor apresenta-se como uma boa alternativa para obter essas temperaturas, uma vez que estas técnicas permitem a utilização dos dados experimentais obtidos a partir de regiões acessíveis. Problemas inversos consistem em obter o valor de uma variável, através da medição da outra variável que pode ser obtida diretamente (Beck et al., 1985). Estas técnicas usam frequentemente algoritmo de otimização, a fim de minimizar o erro entre o valor calculado e o real da variável em questão. Hoje em dia, vários pesquisadores têm proposto a combinação de técnicas inversas e soluções numéricas de transferência de calor para analisar os campos térmicos durante os processos de usinagem. Devido ao avanço dos recursos computacionais, o uso de métodos numéricos vem ganhando espaço, e não demorou muito antes que eles começassem a ser utilizados, juntamente com métodos experimentais, nos estudos de campos de temperatura em ferramentas de corte. Um modelo baseado na diferença finita tridimensional para prever a temperatura nos processos de usinagem foi apresentado por Ulutan et al. (2009). O modelo baseado no método de diferenças finitas proposto neste trabalho apresentou soluções muito rápidas e razoavelmente precisas. Os resultados simulados foram validados com medições térmicas infravermelhas que foram determinados a partir da usinagem dos materiais AISI 1050 e AISI H13 sob várias condições de corte. No estudo realizado por Wang et al. (2010) um modelo para a análise numérica foi implementado para a obtenção da temperatura de corte do aço inoxidável 316L. A simulação foi criada com o uso do pacote ABAQUS v6.8® a qual utiliza o método de elementos finitos, que é adequado para o cálculo dinâmico não-linear. Um modelo de elementos finitos, que combina as vantagens de ambas as descrições lagrangeana e V I I I C o ng r e sso Na c i o n a l de E n g e n har i a M e c â n i c a , 1 0 a 1 5 d e a g o st o d e 2 01 4 , U ber l â nd i a - M i na s G er a i s euleriana, foi usado. O modelo de Johnson-Cook foi usado para modelar o material da peça de trabalho. Os resultados obtidos dos modelos analítico e numérico por elementos finitos se apresentaram muito próximos. No trabalho de Yang et al. (2011), a distribuição da temperatura da micro-ferramenta no processo de micro-fresamento foi investigado por meio de simulações numéricas e por uma abordagem experimental. Os processos de micro-fresamento foram modelados pelo método dos elementos finitos tridimensionais acoplados aos efeitos termomecânicos. A distribuição da temperatura de corte na micro-ferramenta, o efeito de variação do raio da aresta da ferramenta sobre a força de corte, e a tensão efetiva durante o micro-fresamento da liga de alumínio Al2024-T6 usando uma micro-ferramenta de carboneto de tungstênio também foram investigados. Os resultados das simulações mostraram que com o aumento do raio da aresta da ferramenta a força de corte aumenta, enquanto que a tensão efetiva e a temperatura de corte média diminuem ligeiramente. Técnicas inversas já têm sido utilizadas para estudar os campos de temperatura na ferramenta de corte. A solução de um problema de condução de calor inverso tridimensional utilizando um algoritmo (Evolutionary Algorithm) foi demonstrada por Woodburg et al. (2007). O fluxo de calor na ferramenta durante o processo de torneamento foi determinado utilizando operações evolutivas combinadas com as temperaturas medidas na superfície da ferramenta. A condução de calor tridimensional na ferramenta e porta-ferramenta foi simulada usando o pacote FLUENT®. No trabalho de Luchesi e Coelho (2012), um método inverso foi proposto para estimar as fontes de calor no problema de condução de calor bidimensional transiente em um domínio retangular com superfícies convectivas. A equação diferencial parcial não homogênea é resolvida usando o método de transformação de integrais. A função teste para o termo de geração de calor foi obtida pela geometria do cavaco e pela força de corte termomecânica. Em seguida, o termo de geração de calor foi estimado pelo método do gradiente conjugado com problema adjunto. O método da função especificada sequencial foi utilizado para estimar o fluxo de calor transiente aplicada à face inclinada da ferramenta de corte durante a operação de corte com duas hipóteses diferentes (Samadi et al., 2012). Em um deles, a condutividade térmica é assumida como sendo constante, e na outra esta varia com a temperatura. A ferramenta de corte foi modelada como um objeto tridimensional. Dados de temperatura simulados foram utilizados para recuperar o fluxo de calor na superfície da ferramenta de corte usando soluções lineares, bem como soluções não lineares. Este trabalho propõe a utilização de técnicas de problemas inversos com o pacote comercial COMSOL Multiphysics 4.4® para estimar o fluxo de calor e do campo de temperatura na zona de contato em regime transiente, numa ferramenta de corte de torneamento. Um programa em MATLAB®, com a técnica da função especificada, foi desenvolvido para estimar o fluxo de calor aplicado sobre a ferramenta de corte, usando registros de temperatura experimentais em um determinado ponto. A validação da metodologia proposta foi realizada em experimentos controlados em laboratório. 2. FORMULAÇÃO TEÓRICA 2.1. Modelo Térmico O problema tratado neste trabalho é representado pela Fig. 1a, que representa o conjunto que consiste em uma ferramenta de corte de metal duro, um calço posicionado debaixo da ferramenta de corte e este entre a ferramenta e o porta-ferramenta. Há também um grampo e um parafuso para fixar o conjunto. Na Figura 1a, o modelo esquemático para o problema térmico de usinagem é apresentado. A geração de calor durante o processo de usinagem é indicado por uma distribuição do fluxo de calor q” (x, y, t) desconhecido, sobre a área arbitrária sobre o plano x-y. Uma vista detalhada do conjunto é mostrada na Fig. 1b. A equação de difusão de calor governando este problema pode ser dada como:        ,t,z,y,x t T1 t,z,y,x z T t,z,y,x y T t,z,y,x x T 2 2 2 2 2 2             (1) sujeito às seguintes condições de contorno:   ,qt,0,y,x z T k '' 0     na interface de contato com a peça de trabalho (Fig. 1b) (2) e ),TT(h T k      nas regiões restantes do conjunto, (3) e ter o seguinte como a condição inicial   ,Tt,z,y,xT 0  para t = 0 . (4) V I I I C o ng r e sso Na c i o n a l de E n g e n har i a M e c â n i c a , 1 0 a 1 5 d e a g o st o d e 2 01 4 , U ber l â nd i a - M i na s G er a i s identificar esta região podem ser encontrados na literatura como, por exemplo, a utilização de um pacote de análise de imagens, (Jen e Gutierrez, 2000), ou a aplicação de revestimentos (Yen e Wright, 1986). Em ambos os processos, a área é medida após o processo de corte. Este procedimento também é utilizado aqui. No entanto, neste trabalho, as áreas de contato na interface foram obtidas a partir de três ensaios realizados com as mesmas condições de corte. Para medir a área de contato um programa de sistema de imagem com câmera de vídeo modelo CCD Hitachi, KP-110, um microcomputador com processador AMD® K6 de 450 MHz e o pacote de imagem GLOBAL LAB® foram utilizados. A área típica de contato é apresentada nas Figs. 4a e 4b. O valor da área de contato foi 1,41 mm2, obtidos para a avanço de 0,138 mm/rot, velocidade de corte igual a 135,47 m/min e profundidade de corte de 5,0 mm. a) b) Figura 4. a) Tratamento de imagens da área de contato e, b) área de contato do modelo computacional. Vários testes foram realizados para observar a influência da velocidade de corte, avanço e profundidade do corte na distribuição da temperatura. No entanto, devido à limitação de páginas do presente trabalho, os resultados são apresentados para apenas dois testes. As identificações do teste com as condições de corte são apresentados na Tab. 2. Cada condição de corte foi repetida três vezes para observar a repetibilidade. Em cada experimento, o número total de medidas de cada termopar foi nt = 180, com um passo de tempo de 0,5 s. A condutividade térmica e difusividade térmica da ferramenta de corte são, respectivamente,  = 43,1 Wm/K e α = 14,8 x 10-06 m2/s (Carvalho et al., 2006). Tabela 2. Condições de corte. 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 O porta-ferramenta é de aço AISI 1045 e suas propriedades térmicas são:  = 49,8 Wm/K e α = 13,05 x 10-06 m2/s (Grzesik et al., 2009). O calço abaixo da ferramenta tem as mesmas propriedades térmicas que a ferramenta de corte. Todas as faces, exceto a interface de contato da ferramenta-cavaco, foram submetidos a um coeficiente de transferência de calor por convecção constante, h = 20 W/m²K. Outra fonte importante de erro que deve ser levado em conta é a resistência térmica de contato existente entre a ferramenta, o calço e o porta-ferramenta. O contato térmico depende de muitos parâmetros e condições, tais como a natureza de contato, as propriedades da superfície, as pressões, etc. Um grande esforço foi gasto no modelo e na técnica de identificação. Embora, este problema não seja tratado aqui, o efeito deste contato térmico é simulado como uma dimensão de 10 m de espessura entre os materiais envolvidos, com as propriedades do ar a 300 K. As propriedades térmicas usadas para o ar são:  = 0,026 Wm/K e α = 22,5 x 10-06 m2/s (Incropera et al., 2007). 5. ANÁLISE DOS RESULTADOS Nesta seção, os resultados obtidos para as estimativas do fluxo de calor e da temperatura usando técnicas de problema inverso função especificada com pacote COMSOL Multiphysics® 4.4 são apresentados. Como mencionado acima, para o estudo do campo de temperatura na ferramenta de corte, três experimentos foram realizados sem alterações nas condições de montagem ou operações. Cada experimento durou 90 s, com a leitura de temperatura V I I I C o ng r e sso Na c i o n a l de E n g e n har i a M e c â n i c a , 1 0 a 1 5 d e a g o st o d e 2 01 4 , U ber l â nd i a - M i na s G er a i s realizada a cada 0,5 s, totalizando 180 valores de temperatura. Vale a pena mencionar que, no início do experimento, não existe contato entre a ferramenta e a peça de trabalho, por consequência, a ferramenta se encontra à temperatura ambiente uniforme. O tempo de corte aconteceu entre o tempo inicial até 60 s. Após o sexagésimo segundo, o processo de corte é interrompido e a ferramenta move-se para distante da peça de trabalho. E é, durante o tempo de corte, que o fluxo de calor é aplicado sobre a ferramenta. O coeficiente de sensibilidade foi calculado numericamente com a utilização do COMSOL Multiphysics® 4.4, como o problema direto, utilizando-se condições de contorno de fluxo de calor igual a 1,0 W/m² e temperatura inicial igual a 0,0 ºC, e um coeficiente de convecção médio de 20 W/m2K. Muitas simulações foram realizadas, como em Carvalho et al. (2006), para analisar a influência do valor de h = 20 W/m2K. Na Figura 5a, o fluxo de calor foi estimado para o Teste 1 (Tab. 2), usando a técnica da função especificada para o parâmetro passos de tempos futuros, r = 10. Nesta figura, uma comparação com o fluxo de calor estimado em Carvalho et al. (2006) e Carvalho et al. (2009), também é apresentado. Os testes foram realizados com os valores mais elevados e menores dos passos de tempos futuros para confirmar este valor de r. De acordo com o gráfico, o fluxo de calor é aplicado a partir do início do processo de usinagem até aproximadamente 60 s. Após este intervalo de tempo, o fluxo de calor aplicado é nulo, ou seja, não ocorre usinagem do material. No intervalo de tempo entre 0 e 60 s, o fluxo de calor médio aplicado foi de aproximadamente 35 MW/m². O tempo computacional para estimar o fluxo de calor através da técnica função especificada foi de 9 minutos e 24 segundos usando um microcomputador com processador Intel Core® i7®, com 6 GB de memória RAM, usando o Windows 7 Ultimate de 64 bits. Na Figura 5b, uma comparação entre as temperaturas experimentais e calculadas nas posições T3, T6 e T7 é apresentada. Nesta figura, bons resultados podem ser vistos quando se comparam as temperaturas estimadas e experimentais, especialmente para o termopar T3. Somente os resultados para valores maiores de temperatura são apresentados. a) b) Figura 5. a) Fluxo de calor estimado e b) comparação entre as temperaturas experimentais e estimadas para os termopares T3, T6 e T7. A Figura 6a apresenta o fluxo de calor estimado para o Teste 2 (Tab. 2) usando a função especificada para r = 10. Uma comparação entre as temperaturas experimentais e calculadas nas posições T3, T6 e T7 é apresentada na Fig. 6b. Há também uma boa concordância quando se compara com o trabalho anterior dos autores (Fig. 6a) e com as temperaturas experimentais (Fig. 6b). Além disso, uma comparação entre as temperaturas calculadas nas posições T3, T6 e T7 para os Testes 1 e 2 é apresentado na Fig. 6c. Pode-se notar que as temperaturas aumentam para uma maior profundidade de corte. a) b) V I I I C o ng r e sso Na c i o n a l de E n g e n har i a M e c â n i c a , 1 0 a 1 5 d e a g o st o d e 2 01 4 , U ber l â nd i a - M i na s G er a i s c) Figura 6. a) Fluxo de calor estimado, b) comparação entre as temperaturas experimentais e estimadas para os termopares T3, T6 e T7 e c) comparação entre as temperaturas estimadas nas posições T3, T6 e T7 para Testes 1 e 2. Para completar, as Figs. 7a, 7b, 7c e 7d mostram uma representação do campo de temperatura na montagem (ferramenta de corte, calço e porta-ferramenta) para o Teste 1 de um acordo com o pacote COMSOL Multiphysics® 4.4 para os instantes 5 s, 10 s, 50 s e 80 s, respectivamente. Como é mostrado na Fig. 7c existe um elevado gradiente de temperatura no inserto. a) b) c) d) Figura 7. Campo de temperatura no conjunto para os instantes: a) t = 5 s, b) t = 10 s, c) t = 50 s e d) t = 80 s. 6. CONCLUSÕES