INTEGRIDADE SUPERFICIAL NO MICROFRESAMENTO · percurso de medição de 4,0 mm, conforme Norma ABNT NBR 6405/1988. Microfresa Dispositivo de fixação Corpo de prova Dinamômetro x

7º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 7th BRAZILIAN CONGRESS ON MANUFACTURING ENGINEERING

20 a 24 de maio de 2013 – Penedo, Itatiaia – RJ - B rasil May 20th to 24th, 2013 – Penedo, Itatiaia – RJ – Brazil

© Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas 2013

INTEGRIDADE SUPERFICIAL NO MICROFRESAMENTO

Alessandro Roger Rodrigues, [email protected] Fernando Brandão de Oliveira, [email protected] 1 Suzana Regina da Silva Moreira, [email protected] Juno Gallego, [email protected] Hidekasu Matsumoto, [email protected] Wyser José Yamakami, [email protected] 1USP Campus São Carlos, Av. Trabalhador São-Carlense 400, CEP 13.566-590, São Carlos-SP 2UNESP Campus Ilha Solteira, Av. Brasil Centro 56, CEP 15.385-000, Ilha Solteira-SP Resumo: Este trabalho quantificou o efeito da relação entre o avanço por dente (fz) e o raio de aresta da microfresa (re) na rugosidade da peça e no processo de formação de cavaco do aço ABNT 1045 aplicado em micromoldes. Os ensaios de microfresamento foram conduzidos em um centro de usinagem CNC sem aplicação de fluido lubrirrefrigerante, empregando fresa de topo inteiriça de duas arestas com ∅ 0,8 mm, revestida de Nitreto de Alumínio Titânio. Imagens de Microscopia Eletrônica de Varredura revelaram que a espessura mínima de cavaco ocorreu quando o avanço por dente atingiu cerca de 25% do raio de aresta da ferramenta. Avanços abaixo deste valor não formaram cavaco e aumentaram a rugosidade da peça devido à deformação e microtrincas superficiais. Para avanços maiores, o cavaco foi completamente formado e a rugosidade alcançou um mínimo quando fz ≅ re, passando a elevar-se novamente quando fz > re, devido às marcas de avanço e fluxo lateral de cavaco. Palavras-chave: integridade superficial, microfresamento

1. INTRODUÇÃO

Anos atrás, as peças dos relógios de pulso eram basicamente os únicos componentes miniaturizados produzidos por processos de manufatura em escala industrial. No entanto, as mudanças sociais e a evolução da tecnologia demandaram uma produção cada vez maior de produtos miniaturizados em diferentes áreas da indústria (Masuzawa, 2000).

Componentes miniaturizados com alta precisão dimensional têm sido utilizados pelas indústrias aeroespacial, biomédica e automotiva. A microusinagem tornou-se um importante método de fabricação para estes dispositivos. Assim, pode-se obter microestruturas complexas que exigem uma variedade de materiais, formas e interfaces funcionais (Aramcharoen e Mativenga, 2009; Chae, Park e Freihet, 2006; Masuzawa, 2000).

A fabricação de microcomponentes requer métodos que tenham confiabilidade e repetibilidade, com ferramentas de boa precisão (Chae, Park e Freihet, 2006). A microusinagem mecânica, realizada através do corte, utiliza ferramentas miniaturizadas, que possuem dimensões na ordem de micrômetros, para promover a remoção do material. As taxas de remoção de material envolvidas nessas operações de corte são extremamente reduzidas se comparadas às condições de usinagem ditas convencionais.

Com a diminuição da dimensão do material removido, questões sobre a geometria do raio de aresta da ferramenta, tamanho de grão e orientação cristalográfica do material, efeitos considerados pouco influentes na usinagem em macroescala, tornam-se fatores de grande influência na precisão dimensional e integridade dos componentes usinados em microescala (Dornfeld, Min e Takeuchi, 2006).

Ao contrário do que se espera na usinagem convencional em macroescala, na microusinagem a espessura de corte pode ser comparada à dimensão do raio da aresta de corte (Aramcharoen e Mativenga, 2009; Dornfeld, Min e Takeuchi, 2006). Dessa forma, a relação entre a espessura de corte e o raio da aresta de corte da ferramenta exerce influência direta na formação de cavaco na microusinagem. Assim, surge o conceito de espessura mínima de cavaco (hmin), segundo o qual o cavaco não irá se formar a menos que a espessura de corte (h) seja maior que hmin. Quando a espessura de corte é menor que hmin, o material é submetido a um processo de deformação elasto-plástica, sem ocorrência de cisalhamento e formação típica de cavaco (Aramcharoen e Mativenga, 2009; Chae, Park e Freihet, 2006). Vogler, Devor e Kapoor (2004) estimaram que a formação do cavaco em materiais com estrutura perlítica e ferrítica se inicia quando hmin varia entre 20 a 30% do valor do raio de aresta da ferramenta utilizada.

Esse processo de deformação elasto-plástica a que o material é submetido provoca um aumento substancial no valor da energia específica de corte, gerando o denominado “Efeito de Escala”, um fenômeno comum nas operações de

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microusinagem, que é caracterizado pelo aumento hiperproporcional da energia específica de corte para usinagens com espessura de corte muito reduzidas. Segundo Liu, Devor e Kapoor (2004), este fenômeno tem um grande impacto nas forças de corte, estabilidade do processo e acabamento da peça durante a usinagem em microescala. Como consequência, diversos estudos têm sido desenvolvidos para compreender o processo de formação de cavaco e garantir que o corte ocorra sem danos à integridade superficial do material.

O objetivo deste artigo é avaliar o efeito da relação entre o avanço por dente (fz) e o raio de aresta da microfresa (re) na rugosidade da peça e no processo de formação de cavaco do aço ABNT 1045 aplicado em micromoldes. 2. MATERIAIS E MÉTODOS

Os ensaios foram realizados em um centro de usinagem vertical CNC Hermle C800U, empregado-se microfresamento de topo sem aplicação de fluido lubrirrefrigerante. A profundidade de usinagem (ap) e a velocidade de corte (vc), respectivamente, 0,160 mm e 60 m/min, foram mantidas constantes. A largura de usinagem (ae) foi adotada como o valor do diâmetro da fresa utilizada no ensaio (ae = df = 0,8 mm). O avanço por dente (fz) foi adotado como variável de entrada (0,1; 0,3; 0,6; 1,0; 3,0 e 7,0 µm/z). A fresa percorreu trajetória linear e unidirecional, no sentido do eixo y do dinamômetro (Fig. 1).

A energia específica de corte foi obtida pela integração numérica do sinal da força de corte no tempo e multiplicando-a pela razão entre a velocidade de corte e o volume removido de cavaco. Para aquisição da força de corte, empregou-se o software Labview 7.1 da National Instruments, dinamômetro piezelétrico 9256 e amplificador de carga 5233A da Kistler. A Figura (1) ilustra a montagem experimental do sistema no centro de usinagem.

Figura 1. Montagem experimental no centro de usinagem CNC para os ensaios de microfresamento.

Os corpos de prova foram obtidos a partir do aço ABNT 1045 trefilado (93,2 ± 1,1 HRB). Como ferramenta de corte, utilizou-se fresas de topo inteiriças de metal duro com duas arestas (920ML008-MEGA-T / Seco Tools), revestidas de Nitreto de Alumínio Titânio, com diâmetro (df) de 0,8 mm, raio de ponta de 50 µm e raio de aresta (re) de 2,736 µm, medido através de um microscópio confocal Olympus OLS4000. A Figura (2) apresenta imagens do corpo de prova e da microfresa.

Figura 2. (a) Dimensões dos corpos de prova (mm) e (b) ferramenta de corte para os ensaios de microfresamento.

Visando a quantificação estatística dos resultados, foram consideradas duas réplicas para cada avanço por dente. O desgaste das ferramentas foi monitorado via microscopia ótica a fim de não influir nos resultados. A análise do processo de formação de cavaco e da rugosidade qualitativa da superfície microfresada foi realizada recorrendo-se ao microscópio eletrônico de varredura Zeiss LEO 440. A rugosidade quantitativa (Ra) foi medida utilizando um perfilômetro de contato Taylor Hobson Form Talysurf 50 Intra, comprimento de amostragem (cut-off) de 0,8 mm e percurso de medição de 4,0 mm, conforme Norma ABNT NBR 6405/1988.

Microfresa

Dispositivo de fixação

Corpo de prova

Dinamômetro

x

- z

y

(b) (a)

Raio de ponta (50 µm)

Raio de aresta (2,736 µm)

200 µm

Canais de separação

Área de ensaio 13

24,5

9,8

48

3

4



3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

A Figura (3) apresenta uma análise do processo de formação de cavaco a partir da variação do avanço por dente e a Fig. (4) apresenta as superfícies microfresadas.

Figura 3. Imagens obtidas por MEV de exemplares de cavaco gerados no microfresamento.

A Figura (3) pode ser dividida em dois grupos: (a e b) e (c à f). A Figura (3a) mostra um conglomerado de partículas extraídas da peça pela ação da microfresa, as quais, a rigor, não podem ser denominadas de cavacos. Apresentam formas variadas, desde elementos equiaxiais (indicadas por setas na imagem) até alongados em forma de ripas finas. Indicam terem sofrido o processo de arrancamento (equiaxiais) ou extrusão (ripas) durante o contato peça-ferramenta, devido ao baixíssimo avanço por dente empregado (fz = 0,1 µm/z). Uma análise utilizando MEV da superfície usinada mostra claramente rebarbas periódicas nas laterais do canal microfresado de até 0,7 mm de comprimento (praticamente o diâmetro da microfresa) e um padrão de textura superficial no fundo do canal em forma de escamas, deformadas e microtrincadas no sentido do avanço da ferramenta (Fig. 4a), compatíveis com as partículas equiaxiais apresentadas na Fig. (3a).

(a)

20 µm fz = 0,1 µm/z

(b)

20 µm

(c)

20 µm

(d)

20 µm

(e)

20 µm

(f)

20 µm

fz = 0,3 µm/z

fz = 0,6 µm/z fz = 1,0 µm/z

fz = 3,0 µm/z fz = 7,0 µm/z



O avanço por dente de 0,3 µm/z gerou principalmente partículas alongadas em forma de ripas estreitas e houve uma menor ocorrência de partículas equiaxiais, como apresenta a Fig. (3b). Estes elementos são em sua maioria retos e isolados (não aglomerados), apresentando uma das extremidades sensivelmente curvada em alguns poucos casos. Empregando MEV na superfície usinada, observa-se também a ocorrência periódica de rebarbas nas laterais do canal microfresado, porém com comprimentos médios de 0,2 mm, além de uma textura superficial no fundo do canal em forma de escamas, porém mais uniforme e espaçada na direção do avanço da ferramenta (Fig. 4b).

Nestes dois primeiros casos, em particular, pode-se constatar que a espessura mínima de corte que seria necessária para formação completa do cavaco indica não ter sido atingida, tanto pelo cálculo estimado por Vogler, Devor e Kapoor (2004), hmin = 0,684 µm, como pela verificação visual das partículas extraídas destas condições de microusinagem, mostradas na Figs. (3a e 3b).

As Figuras (3c à 3f) demonstram mais claramente que as partículas removidas do processo de microfresamento sejam, de fato, cavacos, pois apresentam aglomerados de macrolamelas com escoamento localizado (em sua maioria) e raio de curvatura em uma das extremidades, que são as réplicas do raio de ponta da microfresa (Fig. 2b). Além disso, a partir do avanço por dente de 0,6 µm/z (Fig. 3c), praticamente atingiu-se a espessura mínima de corte.

Figura 4. Imagens obtidas por MEV das superfícies microfresadas.

Rotação da fresa

4 µm

(b)

4 µm

(c)

4 µm

(d)

4 µm

Deformação acentuada e microtrincas Deformação intermediária e microtrincas

Deformação branda sem microtrincas Marcas de avanço sem fluxo lateral

Marcas de avanço com fluxo lateral brando Marcas de avanço com fluxo lateral acentuado

Avanço

(igual para as demais imagens)

(e)

4 µm

(f)

4 µm

(a)

fz = 0,1 µm/z fz = 0,3 µm/z

fz = 0,6 µm/z fz = 1,0 µm/z

fz = 3,0 µm/z fz = 7,0 µm/z



As diferenças dos cavacos das Figs. (3c à 3f) são a diminuição gradativa e significativa do comprimento das rebarbas laterais (variando de 0,1 a 0,01 mm), o aumento da espessura máxima do cavaco, dado o aumento do avanço por dente, e a mudança no padrão de rugosidade da superfície do fundo do canal microfresado, com a minimização da textura de escamas em fz = 0,6 µm/z (Fig. 4c), eliminação completa destas em fz = 1,0 µm/z (Fig. 4d), e surgimento de marcas de avanço da microfresa (com escoamento lateral de cavaco - side flow) a partir de fz = 3,0 µm/z (Figs. 4e e 4f). Por fim, com o aumento do avanço por dente e a consequente diminuição gradativa de deformação e formação de rebarbas, ou melhor formação e remoção efetiva de cavaco, há uma melhora significativa no acabamento da superfície microfresada.

A Figura (5) apresenta os valores de rugosidade média aritmética (Ra) das superfícies microfresadas e da energia específica de corte. A rugosidade apresenta o maior valor para o avanço por dente fz = 0,1 µm/z, resultado da textura superficial da superfície microfresada apresentada pela Fig. (4a). A rugosidade alcançou um mínimo quando fz ≅ re, passando a elevar-se novamente quando fz > re, devido às marcas de avanço e escoamento lateral de cavaco (Figs. 4e e 4f).

A energia específica de corte aumenta com a redução do avanço por dente, particularmente de forma significativa para avanços iguais ou menores que o raio de aresta da microfresa, alcançando magnitudes da ordem de retificação (20 a 60 J/mm3). Este comportamento relativo ao efeito de escala serve para indicar se o cavaco é formado por cisalhamento (fz > 0,25re) ou extrusão (fz < 0,25re). No primeiro caso, o ângulo de saída da microfresa é o que atua de fato no cisalhamento do cavaco, ao passo que, no segundo caso, a extrusão do cavaco se dá devido ao ângulo de saída efetivo negativo, gerado pelo efeito do raio de aresta da ferramenta. Esta relação governa a textura superficial da peça usinada e a escala de energia consumida no processo de usinagem por volume removido de cavaco.

0

10

20

30

40

50

60

70

0 1 2 3

u (

J/m

m3)

e R

a(x

10

-2µµ µµm

)

fz / re (µm/µm)

Energia específica de corte (u)

Rugosidade média aritmética

Variabilidade média (Ra): 7,4%

(Ra)

Figura 5. Rugosidade média aritmética (Ra) das superfícies microfresadas e energia específica de corte (u) em função da razão entre o avanço por dente (fz) e raio de aresta da ferramenta (re).

4. CONCLUSÕES

A rugosidade da peça microfresada depende diretamente do processo de formação de cavaco. A diminuição do avanço por dente gera valores de rugosidade maiores, resultado direto da deformação do material e extrusão do cavaco. Valores de avanço por dente na ordem da espessura mínima do cavaco geram superfícies com baixa rugosidade, pois a espessura do cavaco atinge a espessura crítica para sua formação, neste caso hmim ≅ 0,25re. Para avanços por dente maiores que o raio de aresta, a rugosidade aumenta devido à dinâmica do processo e à relação entre microgeometria da ferramenta e avanço por dente. A energia específica de corte serve como indicador do efeito de escala na usinagem. Quando a razão entre energia requerida na formação de cavaco e o volume removido de material é grande, o cavaco sofre extrusão e a energia específica cresce exponencialmente devido ao ângulo de saída efetivo da ferramenta. 5. AGRADECIMENTOS

À Coordenação de Pessoal de Nível Superior (CAPES) pelo suporte financeiro e concessão de bolsas de pesquisa, ao Laboratório de Otimização de Processos de Fabricação (OPF) e Laboratório de Engenharia de Precisão (LEP) da Escola de Engenharia de São Carlos (USP) pela disponibilização de infraestrutura para o desenvolvimento deste trabalho, e às empresas Arotec e Olympus pelo uso do microscópio confocal.



6. REFERÊNCIAS Aramcharoen, A. and Mativenga, P.T., 2009, “Size Effect and Tool Geometry in Micromilling of Tool Steel”, Precision

Engineering, Philadelphia, Vol. 33, No. 4, pp. 402-407. Chae, J., Park, S.S. and Freihet, T., 2006, “Investigation of Micro-Cutting Operations”, International Journal of

Machine Tools & Manufacture, New York, Vol. 46, No. 3-4, pp. 313-332. Dornfeld, D., Min, S. and Takeuchi, Y., 2006, “Recent Advances in Mechanical Micromachining”, CIRP Annals -

Manufacturing Technology, Amsterdam, Vol. 55, No. 2, pp. 745-768. Liu, X., Devor, R.E. and Kapoor, S.G., 2004, “The Mechanics of Machining at the Microscale: Assessment of the

Current State of the Science”, Journal of Manufacturing Science and Engineering, Fairfield, Vol. 126, No. 4, pp. 666-678.

Masuzawa, T., 2000, “State of the Art of Micromachining”, CIRP Annals - Manufacturing Technology, Amsterdam, Vol. 49, No. 2, pp. 473-488.

Vogler, M.P., Devor, R.E. and Kapoor, S.G., 2004, “On the Modeling and Analysis of Machining Performance in Micro-End Milling”, Journal of Manufacturing Science and Engineering, Fairfield, Vol. 126, No. 4, pp. 685-705.

7. DIREITOS AUTORAIS

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