A técnica do furo incremental na determinação de tensões residuais em ligas de alumínio: estudo do efeito da furaçao a alta velocidade

Abstract

As tensões residuais são muitas vezes responsáveis pela falha de componentes mecânicos ou pelo aumento do seu tempo de vida, se forem geradas com habilidade. Assim sendo, as técnicas que permitem determinar as tensões residuais na superfície dos materiais revestem-se de uma grande importância. A técnica do furo recebeu uma grande aceitação nesta matéria. Excluindo as dificuldades inerentes aos métodos de cálculo de tensões residuais usados com a técnica do furo incremental, a medição precisa de campos de tensão residual não uniforme em profundidade deve ser optimizada em primeiro lugar. O próprio processo de furação provoca uma tensão residual indesejada devido aos efeitos termomecânicos do procedimento de corte. Neste trabalho, é aplicada uma metodologia para quantificar o efeito da operação de furação, em termos do nível de tensões residuais induzidas, por forma a avaliar as deformações e tensões residuais indesejadas em ligas de alumínio da série 5000 e 7000. Esta metodologia foi usada para estudar a influência da velocidade de corte em sistemas de turbinas a ar ultra-rápidas, que são frequentemente usados nos equipamentos do método do furo. A quantificação é obtida usando um procedimento de calibração experimental seguido de uma simulação numérica do processo de furação. A comparação directa dos resultados experimentais e numéricos permite a determinação das deformações residuais e das respectivas tensões induzidas. Durante os ensaios, a variação da pressão do ar fornecido à turbina fez variar a velocidade de corte. Esta variável foi medida através da análise do som produzido pela turbina por um algoritmo de FFT. Foi observado que a liga de alumínio 5083 é mais difícil de maquinar e não foram encontradas diferenças substanciais nas tensões induzidas pelo processo de furação. Porém, no caso da liga de alumínio 7022, a maquinagem foi muito mais fácil de conseguir e as tensões induzidas pela furação diminuíram quando a velocidade de corte aumentou. Palavras-chave: método do furo, ligas de alumínio, tensões induzida pela furação, tensões residuais, método dos elementos finitos, ANSYS

Residual stresses are often responsible either for the failure of mechanical components or lifetime improvement, when skilfully generated. Therefore, reliable measuring techniques for determining the residual stresses on materials’ surfaces are of great practical relevance. The hole-drilling technique (HDT) achieved broad acceptance in this field. Apart from the difficulties inherent to residual stress evaluation methods to be used with the incremental hole-drilling technique, accurately measuring in-depth non-uniform residual stress fields requires the drilling procedure to be optimized first. The drilling process itself always generates unwanted induced residual stress due to thermo-mechanical effects of the cutting procedure. In this work, a methodology to quantify the effect of the drilling operation, regarding the induced residual stresses level, is applied to evaluate the unwanted drillinginduced residual strains and stresses in two 5000 and 7000 series aluminium alloys. This methodology was used to study the influence of the cutting speed in ultra-high speed air turbine systems, which are commonly used in hole-drilling method equipments. The quantification is obtained by using an experimental calibration procedure followed by a numerical simulation of the whole process. The direct comparison of the experimental and numerical results enables the determination of residual strains and their respective induced stresses. During the tests, varying the pressure of the air fed to the turbine changed the cutting speed. This variable was measured analyzing the sound produced by the turbine through a FFT algorithm. It was observed that 5083 aluminium alloy is more difficult to machine and no substantial differences were found in the stresses induced by the drilling process. However, in the case of 7022 aluminium alloy, machining wasmuch easier to achieve and the drilling-induced stresses decreased when the cutting speed increased. Keywords: hole-drilling method, aluminum alloys, drilling-induced stresses, residual stresses, finite element method, ANSYS