A microusinagem mecânica é o método de fabricação para a criação de dispositivose componentes miniaturizados, com características que variam de dezenas de micrometros a alguns milímetros de tamanho, como ilustrado na figura 1. Vários microprodutos são utilizados na indústria mecânica há muito tempo como, por exemplo, engrenagens de relógio, microtransmissores e micromatrizes^[18,30].

Com o desenvolvimento da tecnologia relacionada a estes processos, alguns produtos tradicionais são beneficiados, com um aumento da relação área/peso ^[12]. Como, por exemplo, mostra o relato de Byrne et al ^[11] sobre o peso do sistema automotivo, que não permitia o travamento dos freios no processo de frenagem (ABS) e foi reduzido de 6,2 para 1,8 kg entre os anos de 1989 e 2001. Isto permitiu o uso de freios ABS em motores menos potentes, como os motores de 1.000 cilindradas (1.0).

Além deste exemplo, pode-se citar Jackson^[22], que comenta que a operação de microfresamento a alta velocidade pode ser uma grande promessa na criação de micro e nanotexturas em superfícies de materiais de engenharia. Um dos desenvolvimentos necessários para aplicação de microusinagem é a fabricação de ferramentas de corte^[4]. O processo de microusinagem (micromachining) pode ser definido como a operação de fabricação com ferramenta que tem seu tamanho variando na faixa de 1 a 1.000 μm. A figura 2 apresenta um exemplo de uma microfresa.

A diminuição do diâmetro da ferramenta requer uma rotação do eixo-árvore mais elevada para atingir velocidades de corte normalmente recomendadas para um processo convencional. Enquanto a rotação convencional é de cerca de 30.000 rpm, algumas máquinas apresentam dispositivos que permitem rotação de 1.000.000 rpm ^[27].

Em alguns processos de microusinagem, o tamanho do grão do material a ser usinado, assim como a espessura de corte são próximos do valor do raio da aresta de corte da ferramenta. Devido a essa característica, não se pode fazer analogia dos fenômenos envolvidos nos processos de fabricação tradicionais (macrousinagem) com os processos de microusinagem simplesmente considerando uma redução de escala. Para cada fenômeno ou parâmetro envolvido (força de corte, potência de corte, temperatura durante a usinagem, formação de rebarba etc.) é necessário realizar uma análise individual e detalhada para conclusões sobre o comportamento destes e influência das condições de corte^[31].

A seguir, serão abordados alguns temas básicos e fundamentais para o processo de microusinagem.

 

Principais aspectos do processo de microusinagem

Parâmetros de corte

As diferenças entre macro e microusinagem começam na seleção das condições de corte. Avanço e profundidade de corte tem ordem de grandeza consideravelmente menor na microusinagem. Os avanços podem ser cerca de 1.000 vezes menores do que os avanços normalmente utilizados em operações de acabamento na macrousinagem.

A profundidade de corte também tem valores cerca de 30 vezes menores. Isso implica que a máquina-ferramenta deve ter resolução menor nos eixos, boa repetibilidade e rigidez mecânica. Assim, normalmente não é possível realizar uma operação de microusinagem em uma máquina convencional.

Outra grande diferença está relacionada com a velocidade de corte. Em um processo de ferramenta rotativa, como no fresamento de topo, considerando que as velocidades de corte impostas em um processo convencional possam ser as mesmas selecionadas para a microusinagem, é necessária uma rotação elevada do eixo-árvore para que seja atingida uma taxa de remoção de material considerável ^[17,24], geralmente entre 30.000 rpm a 100.000 rpm^[33], podendo chegar a 1.000.000 rpm.

Em seu trabalho experimental, Periyanan et al^[32] utilizaram os seguintes parâmetros para obter a máxima taxa de remoção de metal para uma ferramenta de diâmetro de 1 mm: rotação do eixo-árvore de 70.000 rpm, velocidade de corte de 220 m/ min, velocidade de avanço de 0,8 μm/s e profundidade de corte de 40 μm. Para se atingir a mesma velocidade de corte de 220 m/min utilizando-se uma ferramenta com diâmetro de 0,1 mm, é necessária uma rotação aproximada de 700.000 rpm. Isto signifi ca que a operação de microusinagem difi cilmente seria otimizada em termos de remoção de material.

 

Ferramentas de microusinagem

As ferramentas devem possuir uma maior precisão, visto que os erros de alinhamento e de batimento da ferramenta e os erros na fabricação das mesmas são relativamente grandes comparados aos parâmetros do processo ^[23]. Uma geometria imprecisa e irregularidade nas ferramentas muitas vezes comprometem as vantagens do controle do processo de ultraprecisão, máquinas ferramentas e ajuste ultrafino de parâmetros do processo^[16].

A temperatura da ferramenta normalmente é o fator que limita a velocidade de corte máxima que se pode utilizar para um determinado par ferramenta-peça. Tendo a ferramenta de microusinagem um volume bem menor, a temperatura pode ser muito maior do que na macrousinagem para a mesma velocidade de corte. Assim, o material, revestimento, e a geometria da ferramenta são fatores muito importantes que determinam o desempenho do processo.

Aramcharoena et al^[2] relatam que o revestimento de AlCrTiN no microfresamento pode proporcionar um desempenho melhor em usinagem de aços endurecidos em termos de desgaste da ferramenta e qualidade da superfície usinada, em comparação com uma ferramenta não revestida. Em estudos mais recentes, Aramcharoena et al[3] compararam o desempenho de TiN, TiCN, CrN, TiAlN e CrTiAlN (figura 3).

O revestimento de nitreto de titânio (TiN) obteve os melhores resultados. Isso mostra que, em microfresamento de aço endurecido, o TiN pode estender a vida da ferramenta de corte por mais de 5 vezes (8,7 a 50,3 min) em comparação com o uso de ferramentas não revestidas, sendo o revestimento mais comum, juntamente com TiAlN.

As ferramentas com camadas de revestimento de diamante vieram recentemente para o mercado. Eles não são amplamente utilizadas e ainda são foco de estudos na área de usinagem. A figura 4 mostra uma broca espiral com diâmetro de 150 μm revestida com diamante pelo processo de CVD.

 

Desgaste de ferramenta

A avaliação do desgaste em ferramentas de microusinagem é uma tarefa muito mais complicada se comparada com a macrousinagem. Assim, existem poucos trabalhos que mostram o desempenho de um determinado processo de microusinagem em relação ao desgaste da ferramenta.

Denkena et al^[15] mostraram a influência do desgaste da ferramenta na rugosidade superficial no microfresamento de alumínio AlCu4MgSi (figura 5).

Os autores usaram ferramenta de metal duro de 500 μm sem revestimento e aplicação de fluido de corte (emulsão 3%) com os parâmetros de corte: velocidade de avanço de 10 mm/s, profundidade de corte de 500 μm e penetração de trabalho 50 μm. Neste caso, o desgaste foi avaliado pelo aumento do raio de ponta da ferramenta.

Pela figura 5 pode-se observar que o raio de aresta aumentou rapidamente de 1 μm, no início da usinagem, para 8 μm, após uma distância usinada de 4.000 mm. Depois o desgaste aumenta linearmente até que o raio de aresta atinja o valor aproximado de 12 μm após uma distância de 14.000 mm usinados. O desgaste da ferramenta não apresentou influência significativa na rugosidade.

 

Formação de rebarbas

A formação de rebarbas é um aspecto muito importante em peças usinadas, pois compromete as dimensões e o funcionamento de uma determinada peça. Em microusinagem, este problema é relativamente maior, visto que as dimensões da rebarba tornam-se relativamente grandes comparadas com as condições de corte (avanço e profundidade de corte).

Dornfeld et al^[16] mostraram o efeito de aplicação de fluido corte por um sistema de mínima quantidade de lubrificante (MQL) e a seco na formação de rebarbas em processo de microfresamento (fig. 6). Os autores usaram ferramenta de metal duro de 400 μm de diâmetro com revestimento de TiAlN com os parâmetros de corte: penetração de trabalho de 40 μm, velocidade de corte de 33 m/min, avanço de 0,8 μm e profundidade de corte de 10 μm. O fluido de corte diminui ou mesmo elimina alguns tipos de rebarbas.

Pela figura 6 observa-se que a ferramenta desgastou mais na condição a seco do que com mínima quantidade de lubrificante (MQL). É possível observar na ferramenta da condição seco algum material aderido.

 

Força de corte

As forças de microusinagem, além de terem ordem de grandeza bem menor do que nos processos convencionais, apresentam características diferentes da macrousinagem decorrentes do efeito da mínima espessura de corte, recuperação elástica do material usinado (e também da ferramenta de corte), forças residuais ou de sulcamento (ploughing force, da literatura inglesa) e batimento radial no caso de ferramentas rotativas^{[6,7,8,17,29,36,37,40]}.

Na literatura encontram-se vários trabalhos com o objetivo de desenvolvimento de modelos para prever a força de corte ou a pressão específica de corte nas operações de microusinagem. Hey et al fizeram um estudo para previsão da força e defl exão da ferramenta de corte em um processo de microfresamento de topo, utilizando um modelo de previsão de força de corte que foi desenvolvido com base nos modelos de Tlusty^[35] e Lee^[28]. Já Kang et al^[25] apresentaram um modelo de forças de corte em microfresamento de topo considerando os efeitos do raio de ponta da ferramenta.

Özel et al^[31] relataram no microfresamento da liga de alumínio AA 6082-T6 com ferramentas de carbeto de tungstênio, utilizando velocidades de corte variando entre 80 a 160 m/min e avanços por dente variando entre 1,27 μm/rot e 5,08 μm/rot, forças de avanço e normal entre -3 a 3 N. No caso do aço AISI 4340, sob as mesmas condições de corte, as forças de avanço mantiveram-se na faixa de -10 a 10 N e a força normal entre -40 a 40 N. Ku et al^[26] registraram valores de força no microfresamento variando entre -1 e 1 N na usinagem do aço AISI 1045.

Bissacco et al^[10] obtiveram forças variando entre -0,5 e 1 N no microfresamento da liga de alumínio AA 6082-T6. Estes resultados mostram que as forças envolvidas em um processo de microusinagem têm ordem de grandeza muito menor do que a variação das forças em um processo de macrousinagem. Assim, o equipamento para obtenção das forças de corte deve ser mais sensível neste caso.

Em seu artigo, Câmara et al^[12] apresentaram a influência da velocidade de avanço e profundidade de corte na força de avanço no microfresamento da liga de alumínio AA 6262-T5 e cobre eletrolítico (figura 7a) e níquel puro e grafite (figura 7b), utilizando uma ferramenta de carbeto de tungstênio (Ø 500 mm) e velocidade de corte de 63 m/min (40.000 rpm). Em todas as circunstâncias, a força de avanço aumentou com a velocidade de avanço e profundidade de corte.

No grafite, as forças foram inferiores comparadas às do níquel, devido à sua natureza frágil e baixa dureza. Além disso, o grafite foi o menos sensível ao aumento do avanço e da profundidade de corte.

Uma consequência do chamado fator de escala em microusinagem é o valor da pressão específica de corte. Na microusinagem, a pressão específica de corte é muito elevada, se comparada com a dos processos de usinagem convencionais. A pressão específi ca de corte (ks), presente na equação 1, é definida como a relação entre a força de corte (Fc) e a área da seção de corte (A).

Multiplicando o numerador e o denominador pela velocidade de corte, decorre outra importante definição da pressão específica de corte: a energia necessária para remover uma unidade de volume de material na unidade de tempo. A pressão específica varia segundo material da peça, material e geometria da ferramenta e área da seção de corte, mas é muito maior para um processo de microusinagem se comparado com a macrousinagem.

Um dos primeiros trabalhos sobre este fenômeno foi o artigo de Backer et al^[5]. Os autores utilizaram profundidades de corte 5 μm para a operação de fresamento e descobriram que a força de cisalhamento nos materiais aproximou-se do seu valor teórico. Eles também descobriram que contornos de grão, defeitos nos cristais e impurezas desempenham um papel importante no processo de cisalhamento durante a deformação plástica nestas condições. Este fenômeno é denominado de efeito escala (size effect, da literatura inglesa) e afeta significativamente as forças de corte, desgaste da ferramenta e formação de cavacos.

Na figura 8 é mostrada a variação de ks com a espessura indeformada do material (h) para o aço ABNT1045^[14]. Observa-se ainda que, quando os valores de h tendem a zero, a energia efetiva consumida para arrancar uma unidade de volume de material, tende a valores máximos.

Isso mostra que parte significativa desta energia foi dissipada devido ao aumento do contato na superfície de folga da ferramenta, o que proporciona a realização de um trabalho plástico redundante, resultante do sulcamento e do deslizamento da peça na superfície de folga da ferramenta. Esta deformação exige um gasto suplementar de energia, que vem a superar aquela produzida na remoção de material.

 

Acabamento da peça

O acabamento de uma peça usinada é requisito de projeto e tem grande influência no desempenho em serviço da mesma. Em se tratando de microusinagem, o acabamento tem uma importância ainda maior. Assim, é fundamental conhecer como é a influência das condições de corte na rugosidade da superfície usinada.

Dificilmente uma peça microusinada poderá sofrer um processo subsequente de retificação para melhorar o acabamento. Neste caso, utilizam-se outros processos não tradicionais para melhorar a superfície, como a usinagem eletroquímica, por exemplo.

A figura 9a mostra uma comparação da capacidade do processo de microusinagem em relação a outros processos tais como usinagem a laser, EDM, retificação e o processo Liga, segundo Byrne et al^[11]. Na figura 9a pode-se observar que valores de rugosidade superficial Ra de aproximadamente 5 nm podem ser atingidos na microusinagem de componentes com dimensões na faixa de 1 μm. Comparando com a usinagem convencional, o torneamento e o fresamento, por exemplo, a rugosidade Rz normalmente alcançada está entre 10 a 100 μm.

O material da peça também tem sido objeto de amplo desenvolvimento nos últimos anos. Novamente os autores Byrne et al^[11] apresentam uma visão geral do processo de torneamento de materiais endurecidos (hard turning) em relação aos valores de Rz realizáveis (figura 9b). Dependendo das condições utilizadas, a classe de qualidade IT 3 pode ser alcançada, com valores de Rz abaixo de 1 μm.

Weule et al ^[38] usinando aços pelo processo de microfresamento observaram que, quanto mais homogêneo e duro o material da peça, menores as rebarbas formadas e os valores de rugosidade adquiridos. Fleischer e Kotschenreuther^[19] afirmam que o microfresamento permite o melhor acabamento superficial comparado à eletroerosão e à usinagem a laser, e também maiores taxas de remoção de material.

 

Temperatura

A geração de calor e distribuição de temperatura ainda é um tema pouco estudado em microusinagem. Os desafios envolvidos nesta tarefa estão relacionados com as limitações dos métodos experimentais disponíveis para a avaliação da temperatura no corte. Os termopares normalmente utilizados para medir temperaturas pontuais em macrousinagem são muito intrusivos na microusinagem. Samuel et al^[34] realizaram trabalho utilizando termopares para avaliar a temperatura na operação de microtorneamento.

Na figura 10a é ilustrada a disposição esquemática da configuração de teste utilizado para realizar as experiências de microtorneamento. Experimentos foram realizados em uma haste de aço AISI 1018 com diâmetro de 6 mm, usando uma ferramenta de nitreto cúbico de boro. Os parâmetros foram: ferramenta de CBN com raio de aresta de 2 μm, rotação nominal de 50.000 rpm, velocidade de corte de 250 m/min, avanço de 5 μm/rot e profundidade de corte de 40 μm.

Neste trabalho foi utilizado fluido de corte com diferentes concentrações (0,1%, 0,2% e 0,5%) de plaquetas de grafeno. Pela figura 10a podemos observar que adição de grafeno reduz as temperaturas de corte médias. No entanto, o artigo não mostra detalhes da fixação dos termopares para obtenção das temperaturas.

Wissmiller e Pfefferkor n ^[39] obtiveram temperatura máxima de 92^oC na ferramenta durante o microfresamento de aço-carbono e de 50oC para a liga de alumínio. Esta elevação da temperatura pode ser responsável por uma dilatação considerável (2,77 μ m em comprimento) para o microfresamento. Além do efeito da temperatura na resistência da ferramenta, por se tratar de um processo com menores tolerâncias de posicionamento da ferramenta, a temperatura da máquina-ferramenta é um problema crítico para a microusinagem^[9].

Özel et al^[31] calcularam a temperatura na zona de corte no microfresamento do aço AISI 4340 e da liga de alumínio AA 2024-T6 e encontraram, para as mesmas condições de corte, temperaturas para usinagem de aço entre 100 e 150^oC e, para a liga de alumínio, entre 50 e 60^oC. Afazov et al^[1] mostraram resultados diferentes obtidos por simulações para aço AISI 4340, sugerindo que a temperatura na zona de corte pode ser superior a 500^oC para velocidade de corte de 283 m/min.

 

Referências

1. Afazov, S. M.; Ratchev, S. M.; Segal, J.: Modeling and simulation of micro-milling cutting forces. Journal of Materials Processing Technology, v. 210, no 15, p. 2.154-2.162, 2010.
    
2. Aramcharoena, A.; Mativenga, P. T.; Yang, S.: The effect of AlCrTiN coatings on product quality in micro-milling of 45 HRC hardened H13 die steel. Proceedings of the 35th International Conference, p. 203-206, 2007.
    
3. Aramcharoena, A.; Mativengaa, P. T.; Yangb, S.; Cookeb, K. E.; Teerb, D. G.: Evaluation and selection of hard coatings for micro milling of hardened tool steel. International Journal of Machine Tools and Manufacture, v. 48, no 14, p. 1.578-1.584, 2008.
    
4. Asad, A. B. M. A.; Takesh, M.; Rahman, M.; Lim, H. S.; Wong, Y. S.: Tool-based micro-machining. Journal of Materials Processing Technology, v. 192-193, p. 204-211, 2007.
    
5. Backer, W. R.; Marshall, E. R.;
   Shaw, M. C.: The size effect in metal cutting. Journal of Engineering for IndustryTransactions of the ASME, v. 74, p. 61-72, 1952.
    
6. Bao, W. Y.; Tansel, I. N.: Modeling micro-end-milling operations. Part I: analytical cutting force model. International Journal of Machine Tools and Manufacture, v. 40, p. 2.155-2.173, 2000a.
    
7. Bao, W. Y.; Tansel, I. N.: Modeling micro-end-milling