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Thèse de Doctorat
DOI
https://doi.org/10.11606/T.18.2022.tde-25052022-153752
Document
Auteur
Nom complet
Alexandre Bertho Zoppellari
Unité de l'USP
Domain de Connaissance
Date de Soutenance
Editeur
São Carlos, 2022
Directeur
Jury
Silva, Eraldo Jannone da (Président)
Helleno, André Luís
Oliveira, Maria Célia de
Plotegher, Silvio Luís
Santos, Raphael Galdino dos
Titre en portugais
Modelamento teórico-experimental e simulação pelo método dos elementos finitos de erros térmicos em um centro de torneamento
Mots-clés en portugais
centro de torneamento
compensação térmica
elementos finitos
erro térmico
modelo exponencial
Resumé en portugais
A maioria dos produtos da indústria metal-mecânica passa por algum tipo de processo de usinagem em suas etapas produtivas. A máquina-ferramenta (MF) com comando numérico computadorizado (CNC) se destaca atualmente nessa indústria devido à sua alta produtividade, precisão e exatidão de posicionamento. Contudo, erros dimensionais em peças usinadas podem prejudicar o desempenho da indústria. Entre as causas de erros dimensionais em peças usinadas, erros térmicos da MF podem corresponder de 40 a 70% do total. Esses erros podem ser reduzidos com a aplicação de uma estratégia de compensação térmica a qual baseia-se em um modelo empírico atuando em conjunto com a correção do sistema de coordenadas em máquinas CNC. Este trabalho objetiva o desenvolvimento de um modelo para os desvios térmicos baseado na curva fenomenológica exponencial de transferência de calor por condução e convecção. Adicionalmente, propõe-se que cada estrutura da MF cuja dilatação tenha influência significativa na posição relativa entre a ponta da ferramenta e a peça usinada tenha o seu próprio modelo. Foram compilados os desvios e temperaturas da MF (um centro de torneamento) em 9 condições diferentes de funcionamento. Foi elaborado um modelo em elementos finitos da MF para identificar a contribuição de cada parte no desvio da peça usinada. Com esses dados, foi proposto um modelo utilizando uma curva com dupla exponencial para os desvios da estrutura geral da MF e um modelo com uma curva exponencial única para o fuso de esferas. Os resultados dos testes são usados como dados de entrada para o ajuste não linear das constantes dos modelos. Os resultados finais mostram que, com os dois modelos atuando simultaneamente, erros máximos radiais foram reduzidos 69%.
Titre en anglais
Theoretical-experimental modeling and finite element simulation of thermal errors in a turning center
Mots-clés en anglais
exponential model
FEM simulation
thermal compensation
thermal error
turning center
Resumé en anglais
Most manufactured products, particularly in metalworking industry, goes through some kind of machining process. The CNC machine tool stands today in this industry with high productivity and accuracy. However geometric errors in machined parts can harm the performance of the industry. Among the causes of dimensional errors in machined parts, MF thermal errors can account for 40 to 70% of the total. These errors can be reduced with the implementation of a thermal compensation strategy which is based on an empirical model acting together with coordinate system correction in CNC machines. This work aims to develop a thermal error model based on the exponential phenomenological heat transfer curve. Additionally, it is proposed a model for each machine tool structure whose expansion has a significant influence on the relative position between tool tip and machined part. First, machine tool errors and temperatures were collected under 9 different operating conditions. A finite element model of the machine tool was developed to identify the contribution of each part of the machine tool to the final error. As result, a model with two exponentials for the errors of the general machine tool structure and a single exponential model for the Ball Screw were proposed. Test results are used as input data for optimizing the terms of the models. The final results show that, with the two models acting simultaneously, maximum radial errors were reduced by 69%.
 
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Date de Publication
2022-05-25
 
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