UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SULDEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECANICA

ENG03343 – PROCESSOS DE FABRICACAO POR USINAGEMProf. Dr. André João de SouzaAluno: Rafael Kamura de Lucca. 116199

Usinagem de Ultraprecisão

A usinagem de ultraprecisão pode ser chamada de microusinagem, nanousinagem ou até mesmo usinagem com ferramentas de diamante. Esta tecnologia é empregada principalmente para a produção de peças mecânicas bem como elementos ópticos transmissivos e reflexivos, quando se necessita de alta precisão na escala submicrométrica e, inclusive, na nanométrica.

A tecnologia de usinagem de ultraprecisão propriamente dita teve seu início no final dos anos 50, quando a primeira máquina de alta precisão para a usinagem com diamante foi desenvolvida pela firma Bell & Howell para a Força Aérea Americana.

Pesquisas nos últimos anos possibilitaram o emprego deste processo de fabricação de precisão para uma série de materiais que há poucos anos ainda tinham como única opção de trabalho a seqüência clássica de fabricação de elementos ópticos transmissivos, que seria a retificação, a lapidação e o polimento. Adicionalmente, tornou-se possível a fabricação de superfícies complexas, tal como anesferas, obtidas pela rotação de uma curva em torno de um eixo, com precisão submicrométrica.

Exemplificando o emprego do processo, na área de elementos reflexivos destacam-se espelhos para impressora laser, cilindros para fotocopiadoras, aerofotogrametria. No campo dos elementos transmissivos tem-se o uso em lentes para células solares, elementos ópticos para CD’s, lentes de contato, aplicações infravermelhas. Como elementos mecânicos compreendem os discos rígidos para computadores, mancais aerostáticos, microestruturas. Dentre alguns processos de usinagem de ultraprecisão podemos citar: máquinas de faceamento horizontal, fly-cuttin, guias em “T”, guias cruzadas, geradoras de arcos e máquinas de contorno R - (deslocamento do eixo nas direções de um sistema de coordenadas polares).

Nos últimos 50 anos, o diamante monocristalino tem mostrado uma crescente importância como material de ferramenta na indústria de fabricação graças à sua elevada dureza e resistência ao desgaste, grande módulo de elasticidade, baixo coeficiente de dilatação térmica e baixo coeficiente de atrito.

Para a escolha dos materiais usinados pela ferramenta deve-se levar em consideração a compatibilidade química entre o material usinado e o diamante. Materiais que reagem com o carbono do diamante a altas temperaturas e formam carbonetos, como o tungstênio, tântalo, titânio e zircônio, por exemplo, não são adequados. O ferro e suas ligas, não são normalmente usinados por diamante. Estes materiais devem ser evitados porque na usinagem dos mesmos o gume das ferramentas de diamante tende à grafitização, de modo que o fim de vida da ferramenta é rapidamente alcançado.

A usinagem de ultraprecisão com ferramentas de diamante apresenta problemas que normalmente não são encontrados na usinagem convencional. O aumento exponencial das forças específicas em regiões onde a espessura de usinagem é muito pequena e a flutuação periódica no nível de forças é um fenômeno conhecido.

O nível de forças na usinagem de ultraprecisão destes materiais encontra-se normalmente em patamares muito baixos, caracteristicamente bem abaixo de 1 N, e a dinâmica dos sinais de força que usualmente ocorrem durante a usinagem com diamante de materiais frágeis é elevada. Um dos aspectos de maior importância e, freqüentemente, de maior dificuldade é a fixação das peças na máquina-ferramenta para a execução da operação de usinagem, já que a mesma é fonte primária de erros.

Adicionalmente, são exigidas características extremas para a máquina-ferramenta, como elevado isolamento de vibrações, estabilidade térmica, rigidez, precisão de forma e de posicionamento, alta linearidade das guias, baixo batimento do fuso, repetibilidade e resolução.

A usinagem com diamante é susceptível também a uma variedade de influências externas que, se não controladas, reduzindo o nível de qualidade do resultado final. Estas influências externas incluem variações na temperatura, vibrações, umidade e pressão ambiente, limpeza do ambiente de trabalho e suprimento de ar comprimido e de vácuo, entre outras.

Partindo agora para os parâmetros de usinagem, neste tipo de operação, vc em torno de 50 – 800 m/min, as profundidades de corte e o avanço para o desbaste são tais que ap.f < 100 μm2, sendo que para o acabamento têm-se valores de ap.f < 20 μm2. Pode ser aplicado ou não o fluido de corte. Exemplificando aspectos geométricos da ferramenta, valores de usuais para a usinagem de cristais infravermelhos, encontram-se na ordem de -25°, embora para cristais muito macios e frágeis, como KDP, sejam empregadas ângulos de saída de até -45°. O ângulo α geralmente é de 10°. A orientação cristalina [110] e a direção de corte [100]. Com relação à qualidade superficial, para operações de desbaste tem-se valores P-V ~ 10 nm, Ra ~ 1 nm e precisão de forma ~ 100 nm/100 mm.

A medição de forças no processo de ultraprecisão para materiais de comportamento duro e frágil é de extrema importância. Atualmente o processo mais adequado à maioria das aplicações para o monitoramento das forças envolvidas é feito através de um sistema composto por: peça, plataforma de medição de forças com elementos piezelétricos, amplificadores, placa de aquisição e tratamento de sinal, computador e impressora. Por este sistema de medição é possível de obter resoluções menores que 5mN. Um exemplo de resultado obtido com o sistema de medição:

Geometria r= 0,5 mm / = 0°Spenrath Schroeter

Fc (mN) Fp (mN) Fc (mN) Fp (mN)

f = 10 μmap = 5 μm 140 60 120 60

ap = 10 μm 250 70 230 80ap = 20 μm 420 90 350 120

Quanto às tendências na área, podemos destacar: a precisão através da microusinagem (um gráfico bastante difundido na área de fabricação de precisão proposto por Tanigushi, indica que o grau de precisão aumentará para valores menores que 1nm no futuro), usinagem de materiais ferrosos, microestruturas, micropeças, elementos assimétricos, fabricação de ferramentas de diamante e análise, assim como modelagem de novos processos de usinagem.

Pode-se concluir que a microusinagem é uma das mais importantes tecnologias na área de fabricação de precisão, apresenta um mercado promissor, sofre constante evolução e é evidente a necessidade de novos desenvolvimentos para atender os requisitos de qualidade, dimensões, sofisticação e custo dos produtos.