Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1843/BUBD-AB8HW4
Type: Dissertação de Mestrado
Title: Análises numérica e experimental de vibrações do conjunto eixo-árvore de um centro de usinagem
Authors: Bruno Rossi de Meneses Vargas
First Advisor: Alexandre Mendes Abrao
First Co-advisor: Marco Tulio Correa de Faria
First Referee: Reginaldo Teixeira Coelho
Second Referee: Juan Carlos Campos Rubio
Third Referee: Marcelo Araujo Camara
Abstract: Vibracoes de maquinas-ferramenta sao um dos principais fatores que afetam a qualidade de componentes usinados, o que pode implicar elevado custo de etapas posteriores de acabamento ou ate mesmo a rejeicao do componente. Por esta razao, faz-se necessario o desenvolvimento continuo de ferramentas que permitam caracterizar o comportamento dinamico de maquinas-ferramenta, permitindo a otimizacao de seu projeto e a definicao de condicoes operacionais que minimizem a resposta vibracional. No presente trabalho e implementada uma rotina de elementos finitos de viga de Timoshenko para calculo das frequencias naturais e modos de vibracao do conjunto eixo-arvore, visando o desenvolvimento de uma ferramenta computacional de livre acesso desenvolvida em um software gratuito para assistir o projeto de maquinas-ferramenta. Experimentos sao conduzidos com o objetivo de levantar os aspectos dinamicos mais relevantes e fornecer uma maior compreensao da resposta vibracional na operacao de fresamento estavel, na qual nao ocorre ressonancia nem vibracoes autoexcitadas. A modelagem do eixo-arvore do centro de usinagem analisado considerando os parametros de rigidez definidos para rotacao nula permite calcular as frequencias naturais do conjunto em rotacao livre com boa exatidao. Todavia, a operacao de fresamento representa um fenomeno de alta complexidade e a analise das propriedades modais com base na configuracao estatica de rigidez e insuficiente para descrever o comportamento dinamico do eixoarvore, devendo ser considerados os efeitos dinamicos que por sua vez provocam um espalhamento das frequencias naturais em torno de um valor central e um deslocamento deste. Embora diversos autores apontem a variacao da rigidez dos mancais e o efeito giroscopico como principais efeitos dinamicos, estes sao significativos apenas em altas rotacoes, muito acima da faixa de operacao do centro de usinagem analisado. As analises dispostas no presente trabalho mostram que, no caso da maquina analisada, estes efeitos podem ser considerados despreziveis quando comparados a influencia da introducao de rigidez associada a deformacao do sistema de acionamento e a operacao de usinagem propriamente dita. O ajuste dos parametros de entrada referentes a rigidez do sistema de acionamento e da operacao de fresamento permite calcular as frequencias naturais com erro inferior a 5%. A analise da influencia do comprimento livre da ferramenta nos niveis vibracionais indica que a adocao de um maior comprimento implica em maiores niveis vibracionais, assim como em uma maior sensibilidade do sistema a outros fatores, como rotacao e sentido de corte. Finalmente, a analise das respostas espectrais indica que a predominancia de determinadas frequencias pode estar relacionada, dentre outros fatores, a penetracao de trabalho.
Abstract: Machine tool vibrations are one of the most important factors affecting surface quality of machined components. As a consequence of high level vibrations, the costs associated with subsequent finishing operations are usually high and can lead even to the components discard. For this reason, there is a need of a continuous development of computational tools which allows characterizing the machine tool dynamic behavior. In this work, a Timoshenko beam finite elements procedure for calculation of natural frequencies and the relative vibration modes is implemented ina free software, aiming at the development of an open source computational tool to assist machine tool design. Experiments are conducted to point out the most relevant dynamic aspects and to allowa better understanding of the vibrational response of stable milling operation, where no resonance neither self-excited chatter vibrations are observed. The machine tool spindle unit modeled allows the user to calculate with good accuracy its natural frequencies under free rotation. Nevertheless, milling operation represents a phenomenon of high complexity and the analysis of modal parameters based on the stiffness defined for null rotation is not capable of precisely describing thespindle-unit dynamic behavior. Therefore, the dynamic effects involved, which cause a scatter of the natural frequencies around a central value and also its displacement, must be considered. Although several authors point out the roller bearing stiffness variation and the gyroscopicmomentum as the main dynamic effects, those are only significant at speeds far above the speed range of the analyzed machine. The results presented in this work show that, for the analyzed machine, those effects can be considered negligible in comparison with the stiffness inductionassociated with the deformation of the drive system and with the milling operation itself. The adjustment of the input parameters related to this induced stiffness allows the calculation of the first four natural frequencies with maximum error inferior to 5%. Investigating the vibrational response in milling, experimental results show that a longer tool implicates in higher vibrational levels, as well as in a greater sensibility to other factors, such as rotation and cutting direction. Finally, the spectral response analysis shows that the predominance of certain natural frequencies may be related, among other factors, to the width of cut.
Subject: Vibração
Método dos elementos finitos
Engenharia mecânica
Máquinas-ferramenta
language: Português
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/BUBD-AB8HW4
Issue Date: 17-Feb-2016
Appears in Collections:Dissertações de Mestrado

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
vargas_2016.pdf3.89 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.