Multi-objective robust design of helical milling hole quality on AISI H13 hardened steel by normalized normal constraint coupled with robust parameter design

Helical milling is a hole-making process which has been applied in hardened materials. Due to the difficulties on achieving high-quality boreholes in these materials, the influence of noise factors, and multi-quality performance outcomes, this work aims the multi-objective robust design of hole quality on AISI H13 hardened steel. Experiments were carried out through a central composite design considering process and noise factors. The process factors were the axial and tangential feed per tooth of the helix, and the cutting velocity. The noise factors considered were the tool overhang length, the material hardness and the borehole height of measurement. Response models were obtained through response surface methodology for roughness and roundness outcomes. The models presented good explanation of data variability and good prediction capability. Mean and variance models were derived through robust parameter design for all responses. Similarity analysis through cluster analysis was realised, and average surface roughness and total roundness were selected to multi-objective optimisation. Mean square error optimisation was performed to achieve bias and variance minimization. Multi-objective optimisation through normalized normal constraint was performed to achieve a robust Pareto set for the hole quality outcomes. The normalized normal constraint optimisation results outperformed the results of other methods in terms of evenness of the Pareto solutions and number of Pareto optimal solutions. The most compromise solution was selected considering the lowest Euclidian distance to the utopia point in the normalized space. Individual and moving range control charts were used to confirm the robustness achievement with regard to noise factors in the most compromise Pareto optimal solution. The methodology applied for robust modelling and optimisation of helical milling of AISI H13 hardened steel was confirmed and may be applied to other manufacturing processes.publishe

Comparison between the machinability of different titanium alloys (Ti-6Al-4V and Ti-6Al-7Nb) employing the multi-objective optimization

Titanium and its alloys are amongst the most important metallic materials used by many industries, such as those pertaining to the aerospace, automotive, and biomedical sectors. This is due to the reliability and functionality of titanium components, in addition to their high strength-to-weight ratio and corrosion resistance. Thus, titanium and its alloys are of great importance to the challenging operations of these sectors. The manufacturing of titanium requires great accuracy to ensure that resulting products meet quality requirements, due to its difficult machinability. In this study, the cutting forces and surface roughness of the turning were analysed to compare different titanium alloys, Ti–6Al–4V and Ti–6Al–7Nb, with CVD-coated and uncoated inserts. The effect of control factors on the response variables was measured using ANOVA. Response surface methodology was applied to the creation of a model of responses and to a bi-objective optimization process via the normalized normal constraint method. The Pareto-optimal sets of both alloys were achieved, which may be applied to practical situations to achieve optimal results for these responses. The models and optimization results confirmed the similarity of machinability values between the Ti–6Al–4 V and Ti–6Al–7Nb alloys. The uncoated inserts yielded the best surface roughness and cutting force results when used with both titanium alloys.publishe

Multivariate GR&R through factor analysis

Several measurement tasks present multivariate nature. In the cases with quality characteristics highly correlated within groups, but with a relatively small correlation between groups, the available multivariate GR&R methods are not suitable to provide a correct interpretation of the results. The present work presents a new multivariate GR&R approach through factor analysis. Factor analysis is a multivariate statistical method which focuses on the explanation of the covariance structure of the data. Through orthogonal rotation of the factors a suitable structure can be achieved with loadings easy to relate the variables to the factors. The proposed multivariate GR&R method through factor analysis is described and applied in the quality evaluation of holes obtained through helical milling process of AISI H13 hardened steel. The method succeeded in achieving a simple structure, with one factor related to the roughness outcomes and other related to the roundness ones, simplifying the gage capability evaluation.publishe

Otimização Robusta do Fresamento Helicoidal em Altas Velocidades do Aço ABNT H13 Endurecido

O fresamento helicoidal é uma alternativa à furação convencional que, aplicado à indústria de moldes e matrizes, tem grande impacto na competitividade da mesma por garantir níveis altos de qualidade superficial e geométrica, cruciais a essa indústria. Excelente qualidade superficial e a possibilidade de usinar furos com apenas uma ferramenta são algumas das vantagens deste processo. Em relação à usinagem de materiais endurecidos, sua baixa usinabilidade é outro aspecto que compromete a competitividade do segmento de moldes e outros que utilizem destes materiais. Frente aos desafios da usinagem dura, a presente pesquisa objetiva a otimização robusta multi-objetivo do fresamento helicoidal do aço ABNT H13 endurecido (55 HRC) em altas velocidades, de modo a alcançar níveis competitivos de qualidade superficial e aumentar a produtividade do processo de fresamento helicoidal. Foram utilizados o planejamento de experimentos, o projeto de parâmetro robusto com foco no arranjo cruzado, a metodologia de superfície de resposta e o método de restrição normal normalizado melhorado na condução dos experimentos, análise, modelagem e otimização de respostas de interesse. As respostas avaliadas no trabalho foram: a rugosidade média Ra, a rugosidade máxima Rz, a circularidade total Ront, a cilindricidade total Cylt e a taxa de remoção de material MRR. As variáveis de controle utilizadas foram o avanço axial por dente fza, o avanço tangencial por dente fzt e a velocidade de corte vc. Para o projeto de parâmetro robusto foram consideradas como variáveis de ruído o comprimento em balanço da ferramenta lto e a altura medida no furo lb. O efeito das variáveis de controle nas respostas do processo foi discutido, as respostas foram modeladas em função da sua média e relação sinal/ruído, foram realizadas otimizações robustas bi-objetivo e multi-objetivo entre as respostas de qualidade e produtividade, encontradas as soluções Pareto ótimas filtradas e plotadas para exploração do trade-off entres as respostas. Ensaios de confirmação foram conduzidos de modo a avaliar a robustez da solução ótima escolhida em relação às duas variáveis de ruído. De modo geral, o estudo atestou a possibilidade de aumentar a produtividade do fresamento helicoidal, mantendo a qualidade dos furos. Comprovou-se a robustez da circularidade total em relação às duas variáveis de ruído e, confirmou-se para a circularidade total que a média dos ensaios de confirmação é igual à obtida pelo modelo de média

Otimização robusta no torneamento de cabeças femorais para artroplastia de quadril: uma análise comparativa de ferramentas

The large elderly population has naturally led to an increase in the number of orthopedic surgeries, such as knee and hip replacements. In developing countries, the growing demand for this type of surgery is already a reality, highlighting the need to develop machining manufacturing technologies that meet the quality requirements of the prosthesis. ABNT 316L austenitic stainless steel is used in the manufacture of joint prostheses and, although it is considered a material with low machinability, it is an economical alternative to the application of other biomaterials such as titanium alloys and ceramics. In this context, this work presents the optimization of the turning of femoral heads for a total hip prosthesis, comparing two different tool geometries: round and rhombic ISO format. To this end, it has used the response surface methodology and the design of robust parameters to model and optimize the main process responses: roughness and sphericity. The experiments were carried out based on a combined array considering three control variables and two noise variables. The control variables studied were: cutting speed, feed rate and depth of cut; and the noise variables considered were: fixed length of the workpiece and cutting fluid flow. As quality characteristics, the surface finish and the sphericity of the femoral heads were analyzed using the mean roughness and total circularity deviation, respectively. Robust optimization was performed by combining two methods: mean square error and normal boundary intersection. Therefore, the formulation of the optimization problem was to minimize the roughness in the turning process of ABNT 316L stainless steel, limiting the sphericity to 10 μm. The results showed that the rhombic tool is preferable when it is desired to simultaneously obtain components with the best surface quality and the least shape deviation.A grande população de idosos tem naturalmente resultado no aumento do número de cirurgias ortopédicas, como artroplastias de joelho e quadril. Em países em desenvolvimento, o crescimento na demanda por esse tipo de cirurgia já é uma realidade e consequentemente realça a necessidade do desenvolvimento de tecnologias de manufatura por usinagem que atendam aos requisitos de qualidade da prótese. O aço inoxidável austenítico ABNT 316L é usado na fabricação de próteses articulares e, apesar de considerado um material de baixa usinabilidade, é uma alternativa econômica em relação à aplicação de outros biomateriais como ligas de titânio e cerâmicas. Nesse contexto, esta tese apresenta a otimização no torneamento de cabeças femorais para uma prótese total de quadril, comparando-se duas geometrias diferentes de ferramentas: formato ISO redonda e rômbica. Para tanto, utilizou da metodologia de superfície de resposta e do projeto de parâmetros robustos para modelagem e otimização das principais respostas do processo: rugosidade e esfericidade. Os experimentos foram conduzidos com base em um arranjo combinado considerando três variáveis de controle e duas variáveis de ruído. Como variáveis de controle foram estudados: velocidade de corte, avanço e profundidade de usinagem; e como variáveis de ruído foram considerados: comprimento fixado do corpo de prova e vazão do fluido de corte. Como características de qualidade, foram analisados o acabamento superficial e a esfericidade das cabeças femorais, por meio, respectivamente, da rugosidade e do desvio de circularidade total. A otimização robusta foi conduzida pela combinação de dois métodos: erro quadrático médio e interseção normal à fronteira. De forma que a formulação do problema de otimização visou a minimização da rugosidade no processo de torneamento do aço inoxidável ABNT 316L, limitando-se a esfericidade a 10 μm. Os resultados evidenciaram que a ferramenta rômbica é a escolhida quando deseja-se atingir, simultaneamente, componentes com a melhor qualidade superficial e menor desvio de forma. Por fim, pelos experimentos de confirmação, foi possível constatar a robustez das soluções ótimas em relação aos efeitos das variáveis de ruído

Projeto de parâmetros robustos para modelagem e otimização de sistemas kanban: uma abordagem baseada em experimentos simulados

Inventory control impacts the flow of the production process, customer service and cost. To improve this management, many companies use the concept of kanban, which has the purpose of programming and controlling production visually. However, few studies in the literature make use of a systematic method for its optimization, and it is also possible to observe in industrial environments, the use of Toyota's traditional formula, considering the demand levelly. Therefore, this work was developed with the objective of proposing an approach to optimize kanban systems using the Robust Parameters Design, through simulated experiments. This strategy is based on the calculation of the safety stock to determine the experimental planning, seeking to achieve the desired service level. Then, the simulation is executed with the experimental planning data in the simulated model, considering the daily random variation of demand over 30 days, with the quantity of kanban not delivered and the number of kanban in stock recorded at the end. From these data mathematical models that take into account the mean and variance are constructed, so that the robust optimization for the dimensioning of the supermarket can be obtained through the Mean Square Error (MSE). To prove the applicability of the proposed method, the procedure was tested in two different cases in the literature, Tubino (2007) and Hurrion (1997). For the modeling of the optimization functions, the Response Surface Methodology (RSM) was used, being mathematically programmed using the MSE. The weighted approach (MSEP) was also applied as an additional technique to achieve better results in relation to robust optimization. Therefore, the proposed approach was developed and applied satisfactorily in both cases in the literature, leading to optimal results in relation to the objectives of robust optimization. It was also possible to make a comparison between the proposed approach and the results achieved with the optimizer of the Arena® simulation software, OptQuest®, thus demonstrating that the method proposed in this work obtained better results with regard to robustness.Agência 1O controle de estoque impacta no fluxo do processo produtivo, no atendimento ao cliente e no custo. Para melhorar esta gestão, muitas empresas utilizam o conceito do kanban, que tem a finalidade de programar e controlar a produção visualmente. Todavia, poucos estudos da literatura fazem uso de um método sistemático para sua otimização, sendo também possível observar em ambientes industriais, o uso da fórmula tradicional da Toyota, considerando a demanda de forma nivelada. Logo, este trabalho foi desenvolvido com o objetivo de propor uma abordagem para otimização de sistemas kanban com o uso do Projeto de Parâmetros Robustos, por meio de experimentos simulados. Tal estratégia tem como princípio o cálculo do estoque de segurança para determinar o planejamento experimental, buscando atingir o nível de serviço desejado. Em seguida, ocorre a execução da simulação com os dados do planejamento experimental no modelo simulado, considerando a variação aleatória diária de demanda ao longo de 30 dias, sendo registrado ao final a quantidade de kanban não entregue e o número de kanban em estoque. A partir desses dados, modelos matemáticos que levam em consideração a média e a variância são construídos, de maneira que a otimização robusta para o dimensionamento do supermercado possa ser obtida por meio do Erro Quadrático Médio (EQM). Para comprovar a aplicabilidade do método proposto, o procedimento foi testado em dois diferentes casos da literatura. Para a modelagem das funções de otimização utilizou-se a Metodologia de Superfície de Resposta, sendo estas matematicamente programadas empregando o EQM. A abordagem ponderada (EQMP) também foi aplicada como uma técnica adicional para se atingir melhores resultados em relação à otimização robusta. Assim sendo, a abordagem proposta foi desenvolvida e aplicada satisfatoriamente nos dois casos da literatura, levando a resultados ótimos em relação aos objetivos da otimização robusta. Também foi possível fazer uma comparação entre a abordagem proposta e os resultados atingidos com o otimizador do software de simulação Arena®, o OptQuest®, demonstrando assim que o método proposto neste trabalho obteve melhores resultados no que diz respeito à robustez