Modelagem por elementos finitos do sistema de amplificaÃÃo de um equipamento de usinagem por abrasÃo ultrassonora

AUTOR(ES)

Francisco Sinderlan dos Santos

DATA DE PUBLICAÇÃO

2009

RESUMO

Este trabalho estuda o sistema de amplificaÃÃo de onda de uma mÃquina de usinagem por abrasÃo ultrassonora por meio de modelos de elementos finitos implementados nos programas computacionais MSC Patran e ANSYS. O sistema à constituÃdo por um amplificador fixado ao gerador de ondas de 20 kHz, um amplificador intercambiÃvel de perfil exponencial (sonotrodo) e uma ferramenta que atua nas partÃculas abrasivas contra a superfÃcie do material a ser usinado. Neste estudo, considera-se uma ferramenta de casca e miolo cilÃndricos, com aproximadamente 60 g e 25 mm de comprimento, que permite a obtenÃÃo de estruturas monolÃticas de quartzo usadas como sensores de pressÃo em ambientes severos. O comportamento do sistema de amplificaÃÃo foi analisado em relaÃÃo Ãs frequÃncias naturais de vibraÃÃo (anÃlise modal) e à amplitude na extremidade da ferramenta (anÃlise harmÃnica). Para permitir agilidade e rapidez no processamento dos modelos, mostrou-se inicialmente que a simetria axial do conjunto sonotrodo-ferramenta poderia ser empregada na concepÃÃo dos modelos numÃricos. A consistÃncia dos modelos numÃricos do sistema de amplificaÃÃo foi verificada por meio da determinaÃÃo analÃtica e numÃrica das frequÃncias naturais dos modos longitudinal, torcional e transversal de uma viga cilÃndrica modelizada na condiÃÃo de contorno engastado-livre. Optou-se tambÃm por otimizar o nÃmero de elementos dos modelos e de restringir os modos de vibraÃÃo indesejÃveis. A partir do cÃlculo das primeiras frequÃncias naturais do modo longitudinal de modelos concebidos com diferentes ligas de titÃnio, verificou-se que a frequÃncia do terceiro harmÃnico de um dos modelos (19.74 kHz) encontra-se 0,5 % acima da frequÃncia de operaÃÃo do sistema de amplificaÃÃo do equipamento. As anÃlises harmÃnicas mostraram que o sistema de amplificaÃÃo composto pelo sonotrodo de perfil exponencial opera no terceiro harmÃnico do modo longitudinal com um fator de amplificaÃÃo de oito vezes. Diante desses resultados, conclui-se que os tempos excessivos de usinagem anteriormente vivenciados na obtenÃÃo de protÃtipos dos sensores de pressÃo, com o sistema de amplificaÃÃo em estudo, nÃo podem ser atribuÃdos à amplificaÃÃo da onda mecÃnica na extremidade da ferramenta. Os longos perÃodos de usinagem podem estar relacionados à defasagem observada entre a frequÃncia nominal do equipamento e a frequÃncia de operaÃÃo do sistema (19.65 kHz), causada pela grande massa da ferramenta. Em funÃÃo desses resultados, um novo perfil de sonotrodo foi proposto de tal forma que o sistema de amplificaÃÃo modelizado apresentasse frequÃncia natural de 20 kHz e com mesmo nÃvel de amplificaÃÃo. A anÃlise harmÃnica deste novo modelo, constituÃdo por um sonotrodo de perfil cÃnico composto, tambÃm serviu para verificar que a distribuiÃÃo das tensÃes ao longo do sistema de amplificaÃÃo nÃo excede, segundo o critÃrio de Von Mises, a tensÃo de escoamento da liga de titÃnio considerada quando o mesmo à excitado com uma carga estÃtica de 25 N

ASSUNTO(S)

anÃlise harmÃnica abrasÃo ultrassonora finite-element method engenharia mecÃnica acoustic horn ultrasonic machining elementos finitos modal analysis harmonic analysis engenharia mecanica sonotrodo anÃlise modal

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