Desenvolvimento de neutralizadores dinâmicos viscoelásticos para redução de vibrações em torneamento simultâneo
| Ano de defesa: | 2024 |
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| Autor(a) principal: | |
| Orientador(a): | |
| Banca de defesa: | |
| Tipo de documento: | Dissertação |
| Tipo de acesso: | Acesso aberto |
| Idioma: | por |
| Instituição de defesa: |
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Curitiba Brasil Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais UTFPR |
| Programa de Pós-Graduação: |
Não Informado pela instituição
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| Departamento: |
Não Informado pela instituição
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| País: |
Não Informado pela instituição
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| Palavras-chave em Português: | |
| Link de acesso: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/36977 |
Resumo: | Regenerative vibrations have been a chronic problem studied due to the complexity of factors that arise during machining. When it comes specifically to simultaneous external turning, there are few studies that address the incidence of regenerative vibrations in machines with this construction characteristic. Machines with greater material removal capacity have been increasingly present in the metallurgical industries. Decreased productivity, reduced tool life and surface quality problems are common challenges in this type of machine in a stage of dynamic instability, due to low dynamic stiffness in situations such as shaft machining. The objectives of the present work correspond to a greater understanding of the main factors associated with the dynamics of the simultaneous external turning process of electric motor shafts in the roughing operation, to propose a solution to reduce vibration arising from dynamic instability known as chatter by means of neutralizers viscoelastic dynamics, build such devices and carry out experiments to verify their effectiveness. To this end, the influence of the machine-support-tool assembly on the cutting parameters was analyzed, taking into account the dynamic stability of the process. The natural frequencies of tools and supports of both towers were determined through impact tests with simultaneous measurement of the vibration response. Additionally, a numerical analysis was carried out in finite elements considering the boundary conditions to obtain the numerical natural frequencies with the aim of understanding the dynamic behavior of the electric motor shaft during machining. Subsequently, the design, optimization and manufacture of viscoelastic dynamic neutralizers to be applied to tool holders for turning electric motor shafts were carried out. The process stability assessment was carried out by monitoring vibration acceleration signals. As a result, an average vibration of 7.74 g was obtained in the upper tower with the neutralizer, compared to 18.8 g without the neutralizer, corresponding to an average reduction of 58.7%. In the upper tower, the average vibration with the neutralizer was 7.28g, while without the neutralizer it was 18.47g, corresponding to a reduction of around 61% in vibration levels. The average roughness of the surfaces machined with the neutralizer was 5.68 µm, while without the neutralizer it was 10.13 µm, representing a reduction of around 44%. With this study, it was possible to obtain a greater understanding of the behavior of regenerative vibrations in simultaneous external turning, as well as verify the effectiveness of the neutralizer for minimizing vibrations in machines with this dynamic characteristic through the use of passive viscoelastic neutralizers. |
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Desenvolvimento de neutralizadores dinâmicos viscoelásticos para redução de vibrações em torneamento simultâneoDevelopment of viscoelastic dynamic neutralizers for reducing vibrations in simultaneous turningVibraçãoUsinagemTorneamentoViscoelasticidadeAnálise modalDinâmica estruturalMáquinas-ferramentaVibrationMachiningLathingViscoelasticityModal analysisStructural dynamicsMachine-toolsCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICAEngenharia MecânicaRegenerative vibrations have been a chronic problem studied due to the complexity of factors that arise during machining. When it comes specifically to simultaneous external turning, there are few studies that address the incidence of regenerative vibrations in machines with this construction characteristic. Machines with greater material removal capacity have been increasingly present in the metallurgical industries. Decreased productivity, reduced tool life and surface quality problems are common challenges in this type of machine in a stage of dynamic instability, due to low dynamic stiffness in situations such as shaft machining. The objectives of the present work correspond to a greater understanding of the main factors associated with the dynamics of the simultaneous external turning process of electric motor shafts in the roughing operation, to propose a solution to reduce vibration arising from dynamic instability known as chatter by means of neutralizers viscoelastic dynamics, build such devices and carry out experiments to verify their effectiveness. To this end, the influence of the machine-support-tool assembly on the cutting parameters was analyzed, taking into account the dynamic stability of the process. The natural frequencies of tools and supports of both towers were determined through impact tests with simultaneous measurement of the vibration response. Additionally, a numerical analysis was carried out in finite elements considering the boundary conditions to obtain the numerical natural frequencies with the aim of understanding the dynamic behavior of the electric motor shaft during machining. Subsequently, the design, optimization and manufacture of viscoelastic dynamic neutralizers to be applied to tool holders for turning electric motor shafts were carried out. The process stability assessment was carried out by monitoring vibration acceleration signals. As a result, an average vibration of 7.74 g was obtained in the upper tower with the neutralizer, compared to 18.8 g without the neutralizer, corresponding to an average reduction of 58.7%. In the upper tower, the average vibration with the neutralizer was 7.28g, while without the neutralizer it was 18.47g, corresponding to a reduction of around 61% in vibration levels. The average roughness of the surfaces machined with the neutralizer was 5.68 µm, while without the neutralizer it was 10.13 µm, representing a reduction of around 44%. With this study, it was possible to obtain a greater understanding of the behavior of regenerative vibrations in simultaneous external turning, as well as verify the effectiveness of the neutralizer for minimizing vibrations in machines with this dynamic characteristic through the use of passive viscoelastic neutralizers.As vibrações regenerativas têm sido um problema crônico estudado devido à complexidade dos fatores que surgem durante a usinagem. Quando se trata especificamente de torneamento externo simultâneo, poucos são os estudos que abordam a incidência de vibrações regenerativas em máquinas com esta característica construtiva. Máquinas com maior capacidade de remoção de material têm estado cada vez mais presentes nas indústrias metalúrgicas. A diminuição da produtividade, a redução da vida útil da ferramenta e problemas de qualidade superficial são desafios comuns neste tipo de máquina em estágio de instabilidade dinâmica, devido à baixa rigidez dinâmica em situações como a usinagem de eixos. Os objetivos do presente trabalho correspondem a uma maior compreensão dos principais fatores associados à dinâmica do processo de torneamento externo simultâneo de eixos de motores elétricos na operação de desbaste, propor uma solução para redução de vibração proveniente de instabilidade dinâmica conhecida como chatter por meio de neutralizadores dinâmicos viscoelásticos, construir tais dispositivos e realizar experimentos para verificar sua efetividade. Para isso, analisouse a influência do conjunto máquina-suporte-ferramenta com os parâmetros de corte, tendo em vista a estabilidade dinâmica do processo. As frequências naturais de ferramentas e suportes de ambas as torres foram determinadas por meio de testes de impacto com medição simultânea da resposta vibratória. Adicionalmente, realizou-se uma análise numérica em elementos finitos considerando as condições de contorno para obtenção das frequências naturais numéricas com o objetivo de entender o comportamento dinâmico do eixo de motor elétrico durante a usinagem. Posteriormente, realizou-se o projeto, a otimização e a confecção de neutralizadores dinâmicos viscoelásticos a serem aplicados nos suportes de ferramentas para a realização do torneamento de eixos de motores elétricos. A avaliação da estabilidade do processo foi realizada através do monitoramento dos sinais de aceleração de vibração. Como resultados, obteve-se na torre superior uma vibração média de 7,74 g com o neutralizador, contra 18,8 g sem o neutralizador, correspondendo a uma redução média de 58,7%. Na torre superior, a vibração média com o neutralizador foi de 7,28 g, enquanto sem o neutralizador foi de 18,47 g, correspondendo a redução de cerca de 61% nos níveis de vibração. A rugosidade média das superfícies usinadas com o neutralizador foram de 5,68 µm, enquanto sem o neutralizador foram de 10,13 µm, representando uma redução de cerca de 44%. Com esse estudo, foi possível obter um maior entendimento do comportamento das vibrações regenerativas em torneamento externo simultâneo, bem como constatar a efetividade do neutralizador para minimização de vibrações em máquinas com esta característica dinâmica através da utilização de neutralizadores viscoelásticos passivos.Universidade Tecnológica Federal do ParanáCuritibaBrasilPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de MateriaisUTFPRPolli, Milton Luizhttps://orcid.org/0000-0003-2936-6738http://lattes.cnpq.br/3005966147961108Bavastri, Carlos Albertohttps://orcid.org/0000-0002-4048-6709http://lattes.cnpq.br/5492419330148344Borille, Anderson Vicentehttps://orcid.org/0000-0003-1788-0588http://lattes.cnpq.br/3134837836618744Luersen, Marco Antôniohttps://orcid.org/0000-0002-3769-8815http://lattes.cnpq.br/4815765372448868Polli, Milton Luizhttps://orcid.org/0000-0003-2936-6738http://lattes.cnpq.br/3005966147961108Klipstein, Bruno Edson2025-05-28T21:00:35Z2025-05-28T21:00:35Z2024-10-03info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfKLIPSTEIN, Bruno Edson. Desenvolvimento de neutralizadores dinâmicos viscoelásticos para redução de vibrações em torneamento simultâneo. 2025. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2024.http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/36977porhttp://creativecommons.org/licenses/by/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))instname:Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)instacron:UTFPR2025-05-29T06:11:16Zoai:repositorio.utfpr.edu.br:1/36977Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.utfpr.edu.br:8080/oai/requestriut@utfpr.edu.br || sibi@utfpr.edu.bropendoar:2025-05-29T06:11:16Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT)) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)false |
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Regenerative vibrations have been a chronic problem studied due to the complexity of factors that arise during machining. When it comes specifically to simultaneous external turning, there are few studies that address the incidence of regenerative vibrations in machines with this construction characteristic. Machines with greater material removal capacity have been increasingly present in the metallurgical industries. Decreased productivity, reduced tool life and surface quality problems are common challenges in this type of machine in a stage of dynamic instability, due to low dynamic stiffness in situations such as shaft machining. The objectives of the present work correspond to a greater understanding of the main factors associated with the dynamics of the simultaneous external turning process of electric motor shafts in the roughing operation, to propose a solution to reduce vibration arising from dynamic instability known as chatter by means of neutralizers viscoelastic dynamics, build such devices and carry out experiments to verify their effectiveness. To this end, the influence of the machine-support-tool assembly on the cutting parameters was analyzed, taking into account the dynamic stability of the process. The natural frequencies of tools and supports of both towers were determined through impact tests with simultaneous measurement of the vibration response. Additionally, a numerical analysis was carried out in finite elements considering the boundary conditions to obtain the numerical natural frequencies with the aim of understanding the dynamic behavior of the electric motor shaft during machining. Subsequently, the design, optimization and manufacture of viscoelastic dynamic neutralizers to be applied to tool holders for turning electric motor shafts were carried out. The process stability assessment was carried out by monitoring vibration acceleration signals. As a result, an average vibration of 7.74 g was obtained in the upper tower with the neutralizer, compared to 18.8 g without the neutralizer, corresponding to an average reduction of 58.7%. In the upper tower, the average vibration with the neutralizer was 7.28g, while without the neutralizer it was 18.47g, corresponding to a reduction of around 61% in vibration levels. The average roughness of the surfaces machined with the neutralizer was 5.68 µm, while without the neutralizer it was 10.13 µm, representing a reduction of around 44%. With this study, it was possible to obtain a greater understanding of the behavior of regenerative vibrations in simultaneous external turning, as well as verify the effectiveness of the neutralizer for minimizing vibrations in machines with this dynamic characteristic through the use of passive viscoelastic neutralizers. |
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