DESENVOLVIMENTO DO PROCESSO DE USINAGEM DE ULTRAPRECISO DE ESPELHOS PTICOS EM METAIS NO

FERROSOS Fabiano dos Santos Correa Universidade de So Paulo, EESC, Av. Trabalhador So Carlense CEP 13566-590, So Carlos, SP, Brasil - fabianocorrea@eesc.usp.br Renato Goulart Jasinevicius Universidade de So Paulo, EESC, Av. Trabalhador So Carlense CEP 13566-590, So Carlos. Jaime Gilberto Duduch Universidade de So Paulo, EESC, Av. Trabalhador So Carlense CEP 13566-590, So Carlos. Resumo. Peas produzidas atravs de usinagem com ferramenta de diamante devem apresentar superfcies com qualidades pticas. No entanto, o desenvolvimento das etapas de processo de fabricao sofre diretamente o efeito de diversos fatores; a qualidade da matria-prima (microestrutura, propriedades mecnicas, etc.), especificao da qualidade da superfcie usinada e tolerncias. O objetivo desse trabalho apresentar aspectos que podem influenciar na qualidade de componentes de alumnio torneados com ferramentas de diamante. As ligas escolhidas foram: liga Al-Mg e Alumnio 7075-T6. A liga aeronutica foi escolhida devido a suas propriedades mecnicas excepcionais. A comparao entre o tipo de microestrutura e o efeito sobre a qualidade da superfcie usinada e sobre a formao do cavaco ser analisado atravs de tcnicas de microscopia ptica (MO) e eletrnica de varredura (MEV). Resultados mostrando a influncia das condies de usinagem sobre o acabamento de duas ligas de alumnio atravs do torneamento de face com ferramenta de diamante sero apresentados. Palavras-chave: usinagem de ultrapreciso, torneamento com diamante, fabricao de componentes pticos. 1. INTRODUO

As exigncias de qualidade para componentes pticos so dependentes do comprimento de onda em que o componente trabalha. Por exemplo, para luz infravermelha (IV) e luz visvel, os desvios de forma e rugosidade superficial Ra devem ser menores que 0,3 micrmetros/0,05 micrmetros e menores que 0,03 micrmetros/0,005 micrmetros, respectivamente. Em funo disso, a especificao de etapas na fabricao de componentes pticos desde o tipo de material at as condies de usinagem tornam-se essenciais para obteno de componentes dentro das especificaes exigidas.Assim, os materiais devem ser escolhidos de forma a oferecer uma usinabilidade aceitvel com um nvel de acabamento da superfcie usinada de ordem namomtrica. Dentre os materiais tpicos que podem ser usinados; o alumnio e o cobre esto entre os mais comumente utilizados em usinagem de ultrapreciso. O diamante, usado no processo da usinagem de ultrapreciso, por ser um material que possui uma elevada dureza, pode ser afiado alcanando um nvel de acabamento excelente para sua aresta de corte, sem perder suas propriedades mecnicas. Em funo dessa propriedade possvel a obteno de acabamentos superficiais espelhados (1).

O objetivo desse trabalho apresentar aspectos que podem influenciar na qualidade de componentes de alumnio torneados com ferramentas de diamante. A comparao entre o tipo de microestrutura e o efeito sobre a qualidade da superfcie usinada e sobre a formao do cavaco ser

analisado atravs de tcnicas de microscopia ptica (MO) e eletrnica de varredura (MEV). Resultados mostrando a influncia das condies de usinagem sobre o acabamento de duas ligas de alumnio atravs do torneamento de face com ferramenta de diamante sero apresentados. 2. MATERIAIS E MTODOS

As ligas de alumnio escolhidas para esse estudo foram Al-Mg (Kobe) com microdureza Vickers nominal Hv100g = 68 kgf/mm2 e Alumnio 7075-T6 Hv100g = 195 kgf/mm2. Os ensaios foram feitos com o uso de fludo de corte sinttico aplicado em forma de nvoa (aproximadamente 100 ml/hora), esse fludo, lanado atravs de um bico vaporizador direcionado para o ponto de contato entre ferramenta/pea. A mquina ferramenta utilizada nos ensaios foi um Aspheric Surface Generator ASG 2500 Rank Pneumo. Esta mquina possui uma base de ferro fundido termicamente livre de tenses, sendo isolada de vibraes externas atravs de isoladores passivos a ar montados cinematicamente numa estrutura de ao. O eixo rvore sustentado por mancais aerostticos de escora que conferem alta rigidez axial. Um CNC Allen-Bradley 8200 utilizado para controlar o deslocamento e a posio dos eixos simultaneamente. A posio dos eixos monitorada por transdutores interferomtricos a laser. A resoluo da mquina de 10 nanmetros.

Os cavacos foram analisados atravs da Microscopia Eletrnica de Varredura (MEV) para observar se houve influncia do estado metalrgico do material. As superficies usinadas foram analisadas atravs de microscopia ptica com contraste de interferncia Nomarski visando obter informaes relativas reproduo do perfil da ferramenta na pea. A geometria da ferramenta e as condies de usinagem so descritas na Tabela 1.

Tabela 1. Condies de corte e Geometria da ferramenta usada nos ensaios

Condies de corte e geometria da ferramenta Valores Velocidade de avano (m/rev) 5, 10, 15 e 30 Profundidade de corte (m) 10 Rotao do eixo rvore (rpm) 1000 Raio de ponta (mm) 1,514 ngulo de sada (o) 0 ngulo de folga (o) 12

Para a avaliao do acabamento da superfcie usinada utilizou-se de um rugosmetro modelo

Form Talysurf Intra, da TAYLOR HOBSON PRECISION. O cut-off de 0.08 foi escolhido para a avaliao do acabamento da superfcie usinada e os parmetros de sada foram rugosidade mxima Rt e rugosidade aritmtica mdia Ra. O Rt foi usado com objetivo de se obter informaes relativas a diferenas que possivelmente ocorrem em funo da diferena nas propriedades mecnicas. 3. RESULTADOS E DISCUSSES

A Figura 1 mostra a imagem feita atravs de microscopia ptica da superfcie gerada com Al 7075-T6. A figura 1a mostra uma imagem da superfcie de usinada com avano de 30 m/rev e de profundidade 10 m em que pode ser observada a presena de incluses duras na matriz. Estas incluses so removidas durante a passagem da ferramenta assim como arrastadas sobre a superfcie como mostrado esquematicamente na Figura 1b. Essas incluses tendem a prejudicar o acabamento da superfcie usinada, pois esses riscos so pontos que provocam a difrao da luz podendo causar um efeito arco-ris na superfcie (2).

A forma encontrada para minimizar a influncia dessas incluses duras sobre o acabamento atravs da geometria da ferramenta apresentando ngulos de sada mais negativos os quais removem estas incluses da matriz ao invs de arrast-las da superfcie o que pode provocar o riscamento (2).

A Figura 2 apresenta uma imagem da superfcie da liga Al-Mg usinada sob as mesmas condies de avano e profundidade. A observao mais cuidadosa da superfcie mostra que houve uma fidelidade na reproduo do perfil da aresta de corte na superfcie. Outro aspecto importante que no se observa a presena de incluses. No entanto, a imagem mostra que h pequenas variaes nas alturas dos gros, como mostrado esquematicamente na Figura 2b. Esse aspecto j foi tratado anteriormente por Jasinevicius et al (3). Isso ocorre devido a anisotropia em materiais policristalinos. Esse efeito no to evidente aqui, pois a profundidade de usinagem foi de 10 m. Esse efeito tambm deve ser minimizado sempre que possvel, para que o acabamento no prejudique o desempenho do espelho. A forma encontrada para minimiz-lo diminuir a diferena no grau de deformao e ruptura (fratura) entre os gros do material, essa diminuio se faz com uso de ferramentas com raio de ponta grande.

(a)

Vc

Rt

(b) Figura 1. Imagem da superfcie da liga Al 7075-T6; (a) micrografia da pea desbastada aumento de

100x; (b) figura esquematizando as impurezas, contraes e incluses

(a)

A

B

hab

(b) Figura 2. Imagem da superfcie da liga Al-Mg; (a) micrografia da pea desbastada aumento 100x;

(b) esquema das estruturas com gros recuados de materiais policristalinos

As Figuras 3a e 3b mostram grficos com valores da rugosidade superficial. A Figura 3a apresenta uma comparao dos valores de rugosidade pico a vale (Rt) das duas amostras de alumnio usinadas alm do Rt terico. Pode-se observar que a rugosidade Rt sempre menor para amostra de 7075-T6. Essa diferena deve-se ao fato que a liga 7075-T6 apresenta dureza maior, e, portanto, uma recuperao elstica maior aps a passagem da ferramenta o que gera ranhuras menos profundas. A Figura 3b mostra os resultados de rugosidade superficial Ra. Da mesma forma

os valores de Ra so maiores para a liga Al-Mg. Porm deve-se ressaltar que as diferenas nesse caso no so muito grandes.

0

50

100

150

200

250

300

5 10 15 30Avano f (m/rev)

Rug

osid

ade

Mx

ima

Rt (

nm

Rt-tericoRt - Al 7075-T6Rt - Al-Mg

(a)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

5 10 15 30Avano f (m/rev)

Rug

osid

ade

Supe

rfici

al R

a (n

m

Ra - Al 7075-T6Ra - Al-Mg

(b) Figura 3. Comparao do Rt e Ra das ligas trabalhadas; (a) grfico de Rt das ligas e o Rt terico; (b)

grfico de comparao dos Ra das ligas usinadas

A anlise dos cavacos consistiu em observar as diferenas na sua morfologia e topografia (4). A figura 4 mostra as micrografias feitas atravs de microscopia eletrnica de varredura dos cavacos removidos das peas usinadas sob as mesmas condies de corte anteriormente mencionada. Na figura 4a pode-se observar que a presena das incluses duras deixou marcas no cavaco (pequenos furos mostrados pelas setas) e na figura 4b a presena da variao nas alturas dos gros.

(a)

(b)

Figura 4. Imagem da parte inferior dos cavacos analisados no MEV; (a) imagem com aumento de 430x do cavaco da liga Al 7075; (b) imagem com aumento de 430x do cavaco da liga Al-Mg

3.1. Fabricao de componentes pticos

Com base nos resultados obtidos optou-se pela seleo da Liga Al-Mg para fabricao de superfcies com acabamento ptico devido a melhor qualidade demonstrada na avaliao da superfcie em termos da fidelidade de reproduo do perfil da aresta de corte e a ausncia de incluses na superfcie. Alm disso, os valores de rugosidade Ra no foram muito diferentes para ambas as ligas. A partir desses resultados, peas foram usinadas num torno de ultrapreciso e em um torno de preciso (ambos CNC) e os valores de desvio de forma avaliados para as trs formas. A seqncia de fabricao adotada para esses componentes est descrita na Figura 5 (5).

50 m 50 m

Foram usinados trs tipos de espelhos; cilndrico, cnico e esfrico. Os desvios de circularidade/cilindricidade para os espelhos cilndricos e cnicos foram de 0,04 m / 0,10 m, respectivamente. A Figura 6 mostra o espelho esfrico (cncavo e convexo), cilndrico alm do cnico. Os resultados foram comparados e a diferena foi justificada baseando-se em aspectos construtivos das mquinas usadas no processo.

pr-usinagem montagem da pea no suporte balanceamento centragem da pea e alinhamento da ferramenta definio das condies de corte (teste prvio) ajuste do fluido de corte (nvoa) passo desbaste passo de acabamento limpeza inspeo armazenagem

Figura 5. Seqncia do processo de usinagem adotada

Figura 6. Imagem ilustrativa das peas usinadas com ferramenta de diamante

espelhos esfricos (cncavo e convexo), cnico e cilndrico 4. CONCLUSES

O efeito da microestrutura do material sobre o mecanismo de corte e a melhoria da qualidade da superfcie usinada dos componentes foram discutidos. Por causa das dimenses reduzidas de corte, a microestrutura tem papel importante no desempenho do processo de remoo de material e na obteno de superfcies usinadas com qualidade ptica. Isto se coloca, pois os danos so irreversveis e podem danificar no somente a qualidade da pea como a afiao da ferramenta. A observao dos cavacos removidos pelo corte pode oferecer informaes interessantes e complementares sobre a interao ferramenta/material. A rugosidade superficial das peas foi influenciada por fatores relacionados ao material (contorno de gro, resposta elstica dos gros, incluses, propriedades mecnicas, etc.). Estes efeitos podem ser atenuados atravs do uso de ferramentas com geometria diferente ou condies de corte mais finas. Deve-se, no entanto, ressaltar que, o processo de torneamento com ferramenta de diamante para fabricao de componentes pticos, comparativamente, mais rpido que os processos convencionais. Uma das caractersticas mais importantes do torneamento a possibilidade de se fabricar formas anesfricas (espelhos e/ou lentes parablicos, elpticos, etc). A aplicao de componentes usinados com ferramentas de diamante tem encontrado um mercado em expanso na rea de sistemas Mecaoptoeletrnicos.

5. AGRADECIMENTOS

O aluno Fabiano S. Correa agradece a CNPq pelo apoio financeiro, a Taylor Hobson do Brasil pelas medidas de rugosidade superficial. 6. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS 1. JASINEVICIUS, R. G.; PORTO, A. J. V.; DUDUCH, J. G. Influncia das Condies de Usinagem no Torneamento de Ultrapreciso de uma Liga de Alumnio com Ferramenta de Diamante. XIII Congresso Brasileiro de Engenharia Mecnica e II Congresso Ibero-Americano de Engenharia Mecnica. - Universidade Federal de Belo Horizonte - Belo Horizonte - MG, 12 a 15 de dezembro de 1995. 2. OHMORI, G.; TAKADA, S. Primary Factors Affecting Accuracy in Ultraprecision Machining by Diamont Toll. Bull. Japan Soc. of Prec. Engg., Vol. 16(1): 3-7, March 1982. 3. JASINEVICIUS, R.G.; PORTO A. J. V.; DUDUCH, J. G.; PURQUERIO, B.M. Critical Aspects on the Behaviour of Material from the Mechanical Tool-Workpiece Interaction in Single Point Diamond Turning. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Science. Vol.21 (3): 509-518, 1999. 4. JASINEVICIUS, R. G.; CAMPOS, G. P.; MONTANARI, L.; TSUKAMOTO, R.; GARCIA, J. P.; DUDUCH, J.G.; PORTO, A. J. V. Influence of Mechanical and Metallurgical State of An Al-Mg Alloy on the Surface Integrity in Ultraprecision Machining Journal of the Brazilian Society of Mechanical Science Vol.25 (3): 222-228, 2003. 5. BRINKSMEIER, E.; RIEMER, O.; SCHMUTZ, J. Ultraprecicion Manufacturing Processes. Tutorial at the 1 euspen Topical Conference on Fabrication and Metrology in Nanotechnology. Copennhagen May 28th, 2000.

DEVELOPMENT OF THE PROCESS IN ULTRAPRECISION MACHINING

OF OPTIC MIRROR METALS NOT FERROUS

Fabiano dos Santos Correa Universidade de So Paulo, EESC, Av. Trabalhador So Carlense CEP 13566-590, So Carlos, SP, Brasil - fabianocorrea@eesc.usp.br Renato Goulart Jasinevicius Universidade de So Paulo, EESC, Av. Trabalhador So Carlense CEP 13566-590, So Carlos. Jaime Gilberto Duduch Universidade de So Paulo, EESC, Av. Trabalhador So Carlense CEP 13566-590, So Carlos. Abstract. The fabrication of components by means of single-point diamond turning requires surface finish with optical quality and very tight form tolerances. However, the development of fabrication sequence may be affected by unexpected factors such as: the metallurgical quality of the raw material (microestructure, mechanical properties, etc.), quality specifications for surface finish and form accuracy. The objective of this work is to present some aspects that can influence in the quality and performance of single point diamond turned optical surfaces. Two different aluminum alloys were chosen: Al-Mg and 7075-T6. The 7075 alloy was chosen due to the exceptional mechanical properties. The surface finish was evaluated, both qualitative and quantitatively by means of optical microscopy and contact profilometer. The effect of mechanical property and different in microstructure were taken into consideration in order to select the best material to use in the fabrication of the components. The optical components were machineds under the cutting conditions previously selected and form accuracy measurements were carried out. Keywords: ultraprecision machining, diamond turning, manufacturing of optical components.