O documento discute os processos de microusinagem mecânica. A microusinagem se destaca por fabricar estruturas 3D em todos os materiais. O efeito de escala influencia a relação entre a cinemática da microusinagem e da usinagem convencional. As principais influências do efeito de escala são a ocorrência de ploughing, maior recuperação elástica e a relação entre a espessura mínima de corte e o tamanho dos grãos. Máquinas para microusinagem requerem alta precisão, rig

1. Capítulo 12 - Microusinagem Mecânica
Usinagem para Engenharia
A.C. Araujo a
, A.L. Mougo b
e F.O. Campos c
.
a
araujo@insa-toulouse.fr, INSA-Toulouse, Institute Clément Ader, França
b
adriane.mougo@cefet-rj.br, CEFET/RJ, Rio de Janeiro, Brasil
c
fabio.campos@cefet-rj.br, CEFET/RJ, Rio de Janeiro, Brasil
Slides propostos
Setembro de 2020

2. Cap. 12 - Microusinagem Mecânica
Processos de microfabricação
Os processos de microfabricação são classificados de acordo com a forma de energia
utilizada (processos mecânicos, físicos, químicos e eletroquímicos)
A microusinagem mecânica se destaca pela possibilidade de fabricar estruturas com
geometrias complexas em 3D de todos os materiais.
O efeito de escala influencia a relação entre a cinemática do processo de
microusinagem e do processo de usinagem convencional.
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3. Cap. 12 - Microusinagem Mecânica
Table 1: Características das escalas no processo de usinagem
Escala Nanométrica Micrométrica Milimétrica
Limites dimensionais 1 nm - 102 nm 1 µm - 102 µm 1 mm
(10−9m) (10−6m) (10−3m)
Característica Nanousinagem Microusinagem Macrousinagem
Área da seção transversal 1-105 µm2 1-105 µm2 1-105 µm2
Volume de remoção 10−3-102 µm3 10−3-10−2 µm3 10−3-10−2 µm3
Taxa de remoção do material 10−5-1µm3s−1 10−5-1mm3s−1 10−5-1cm3s−1
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4. Cap. 12 - Microusinagem Mecânica
(a) Raio da aresta de corte (b) Ângulo de hélice (c) Raio de ponta
Figura 1: Geometria de uma microfresa de metal duro com diâmetro de 0,8 µm [Mougo 2016]1
1
MOUGO, A. L. - Microfresamento do aço superduplex: uma comparação mecanística com os aços inoxidáveis austenítico
e ferrítico para as forças de usinagem e avaliação da superfície usinada. Tese de Doutorado — COPPE/UFRJ, 2016.
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5. Figura 2: Imagem das superfícies de saída e folga de uma microferramenta obtida através da técnica
de microscopia confocal para medida do raio da aresta de corte re [Oliveira 2012]
2
2
OLIVEIRA, F. B. - Estudo dos mecanismos governantes do efeito de escala na microusinagem. Dissertação de Mestrado —
Universidade Estadual Paulista "Júlio de Mesquita Filho", 2012.
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6. 3
Figura 3: Imagem das superfícies de saída e folga de uma ferramenta para fresamento (escala meso)
obtida através da técnica de IFM (Alicona) para medida do raio da aresta de corte re.
3
Imagem realizada no LABOMAP - ENSAM-Cluny - http://labomap.ensam.eu/
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7. Efeito de escala na microusinagem
As principais influências do efeito de escala na microusinagem são:
(i) a ocorrência de ploughing (riscamento) abaixo da espessura mínima (hmin);
(ii) um maior valor relativo entre h e a recuperação elástica do material e
(iii) a relação entre h e o tamanho e direção dos grãos usinados.
Ferramenta
h hmin
g
ge
re
a
(a) Espessura mínima de corte e ploughing
Ferramenta
Recuperação
Elástica
g
ge
re
(b) Recuperação elástica
Figura 4: Mecanismo de corte na microusinagem [Araujo, Mougo e Campos 2020]
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8. h < re o ângulo de saída efetivo passa a ser negativo (γef ), o que pode gerar esforços
excessivos durante o corte e diminuir a vida da ferramenta;
h << hmin a recuperação elástica da superfície é preponderante de acordo com as
propriedades do material da peça. Esta recuperação pode gerar uma superfície mais
rugosa ou ondulada, diferente da original.
Table 2: Relação da espessura mínima de corte hmin com re para alguns materiais metálicos
Autor hmin Material da peça
[Vogler, Devor e Kapoor 2003]4
0,2 e 0,3 re aço ferrítico e perlítico
[Kim, Mayor e Ni 2004] 5
0,3re latão
[Lai et al. 2008] 6
0,25 re cobre
4
VOGLER, M. P.; DEVOR, R. E.; KAPOOR, S. G. Microstructure-level force prediction model for micro-milling of
multi-phase materials. Journal of manufacturing science and engineering, v. 125, p. 202–209, 2003.
5
KIM, C.; MAYOR, J. R.; NI, J. A static model of chip formation in microscalle milling. Transaction of the ASME, v. 126, p.
710–718, 2004.
6
LAI, X. et al. Modelling and analysis of micro scale milling considering size effect, micro cutter edge radius and minimum
chip thickness. International Journal of Machine Tools and Manufacture, v. 48, p. 1–14, 2008
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9. Microfresamento
fz x
Vf
θmin
θPf
θP
y
Figura 5: Ângulo mínimo θmin e
máximo θP f
0 < θP < θPi: Quando a fresa inicia o contato
com a peça até um ângulo de posição crítico
(θPi = θmin) sabe-se que h < hmin e isso favorece
a ocorrência do efeito ploughing;
θPi < θP < θPf : Após esta etapa tem-se
h > hmin, ocorre o corte por cisalhamento e a
formação de cavaco;
θPf < θP < 180o: Por último, quando o dente da
fresa atinge novamente a posição limite de
θpf = 180o − θmin, o mesmo fenômeno da
primeira etapa se repete.
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10. Obtenção da recuperação elástica no ensaio de nanodureza
Figura 6: Ensaio de nanodureza
hre - altura da
recuperação elástica
hre = h ρre (1)
ρre =
Pmax
Shmax
(2)
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11. Forças de microusinagem
Ferramenta
h hmin
g
ge
re
a
Ff1
Fc2 Ff2
Fc1
Figura 7: Forças na região terciária
[Araujo, Mougo e Campos 2020]
Adição de um novo termo devido a
influência da região terciária:
dFc = (Kch + Ke)db + (KpVp)db
Os valores de K podem ser utilizados
também como índice de usinabilidade
dos materiais e permite a compreensão
do processo de corte.
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12. Rebarba no microfresamento
A rebarba aumenta quando fz<re devido ao efeito ploughing (apesar da rugosidade
usualmente diminuir).
Figura 8: Altura da rebarba de topo a partir do avanço da ferramenta 7
7
MOUGO, A. L. - Microfresamento do aço superduplex: uma comparação mecanística com os aços inoxidáveis austenítico
e ferrítico para as forças de usinagem e avaliação da superfície usinada. Tese de Doutorado — COPPE/UFRJ, 2016.
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13. Cap. 12 - Microusinagem Mecânica
Máquinas-ferramenta para microusinagem
Maior precisão de posição: aproximadamente 0,1 µm nos eixos responsáveis pelo
avanço e em torno de 1 µm na direção da profundidade de corte;
A diferença entre o eixos de rotação e posicionamento do centro da ferramenta
(run-out) deve ser baixa (inferior à 1 µm).
Elevada rigidez estática e frequências naturais diferenciadas com características mais
finas e estáveis que os equipamentos de usinagem;
Estrutura com alta estabilidade térmica, pois alguns mícrons de dilatação térmica
podem refletir uma alteração dimensional relevante;
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